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Balances de Materia

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  • 1. Balances de Materia Elementos
  • 2. 2.1. Conservación de la materia
    • Para sistemas que no involucren reacciones nucleares, la ecuación general de conservación de la materia puede ser escrita como:
    • Salida de materia= Entrada de materia + Generación – Consumo – Acumulación
    • Para procesos en estado estacionario, es decir si no existe reacción química:
    • Entrada de materia = Salida de materia
  • 3. Ejercicio 2.1. 2000 kg de una solución de hidróxido de sodio al 5% en agua, será preparada por dilución de una solución 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 = 0.05 w/w
  • 4. 2.2. Unidades usadas para expresar composiciones
    • x= fracción molar
    • w = fracción másica: corriente líquidas
    • Cuando se expresa una composición como un porcentaje, es importante 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. Ácido clorídrico de grado técnico tiene una concentración de 20% w/w , exprese la concentración como % molar
  • 5. 2.3. Estequiometría
    • Estequiometría (stoikeion – elemento ) es la aplicación práctica de la ley de proporciones múltiples. La ecuación estequiométrica de una reacción química, establece sin ambigüedad el número de moléculas de reactantes y productos que intervienen en una reacción.
    • Ejercicio 2.3. Balancear la ecuación global para la manufactura de cloruro de vinilo a partir de etileno, cloro y oxígeno.
    • A(C 2 H 4 ) + B(Cl 2 ) + C(O 2 ) -> D(C 2 H 3 Cl) + E(H 2 O)
  • 6. 2.4. Selección 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 completo y subdivisiones del proceso).
    • Existen unas reglas rápidas y generales acerca de como realizar una selección 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 producción de un polímero. Dados los siguientes datos, calcule los flujos de corriente para una tasa de producción de 10000 kg/h.
    • Reactor: Rendimiento sobre el polímero 100 %
    • Corriente para polimerización 20 % monómero / H 2 O
    • Conversión 90 %
    • Catalizador 1 kg / 1000 kg monómero
    • Agente short - stopping 0.5 kg / 1000 kg monómero no reaccionante.
    • Filtro: Agua de lavado aproximadamente 1 kg / kg polímero
    • Columna de recuperación: 98 % recuperación de monómero
    • Secadero: Alimentación 5% agua, especificación de producto 0.5% H 2 O.
    • Pérdidas de polímero en secador y filtro: aprox. 1%
    • Calcular la cantidad de monómero alimentado al proceso.
  • 8. Pérdidas
  • 9. 2.5. Selección de la base de cálculo
    • 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 másica la corriente de flujo para la cual existe mayor información.
    • Es más fácil trabajar en moles que en peso cuando no existen reacciones químicas involucradas.
    • Para gases, si las composiciones están dadas en base volumétrica, 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. Número de componentes independientes
    • Sistemas físicos, sin reacción química
    • El número de componentes independientes es igual al número de especies químicas.
    • Sistemas químicos, con reacción.
    • El número de componentes independientes puede ser calculado por la expresión:
    • Nº componentes independientes = Nº de especies químicas – Nº de ecuaciones químicas
  • 11. Ejercicio 2.5. Calcular el número de componentes independientes del siguiente proceso
  • 12. 2.7 Restricciones 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 composición.
      • El flujo de un componente (o cantidad) y la composición.
    • Recordar que la suma de las fracciones en peso o molares de los componentes de una corriente debe ser igual a 1.
  • 13.
    • Ejercicio 2.6. Una corriente de alimentación a un reactor contiene: 16% de etileno, 9% de oxígeno, 31% de nitrógeno, y ácido clorhídrico. Si el flujo de etileno es 5000 Kg/h, calcular los flujos individuales y el flujo total. Todos los porcentajes están en peso.
  • 14. 2.8 Componentes de enlace
    • Si un componente pasa a través de una unidad de proceso sin ningún cambio, este puede ser usado para enlazar las composiciones de entrada y de salida.
    • Ejercicio 2.7. Se añade dióxido 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 análisis 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% nitrógeno), se obtuvo el siguiente análisis: 9.1% de dióxido de carbono, 0.2% de monóxido de carbono, 4.6% de oxígeno, 86.1% de nitrógeno, todos los porcentajes en volumen.
    • Calcular el porcentaje de aire en exceso.
    • Reacción:
    • CH4+2O2 -> CO2+2H2O
  • 16. 2.9 Reactivo en exceso
    • Ejercicio 2.9: Para asegurar una combustión completa, 30% de aire en exceso es suministrado a un quemador para la combustión de gas natural. La composición 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. 2.10 Conversión y rendimiento
    • CONVERSIÓN. Es una medida de la fracción de reactivo que reacciona.
  • 18.
    • Ejericio 2.10 : En la manufactura de cloruro de vinilo (VC) por pirolisis de dicloroetano (DCE), la conversión de un reactor está limitada al 55% para reducir la formación de carbón, el cual puede deteriorar los tubos del reactor. Calcular la cantidad de dicloroetano necesaria para producir 6000 kg / h VC.
    • 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 producción de etanol por la hidrólisis de etileno, se produce dietileter como subproducto. Una composición típica de la corriente de alimentación 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 cloración de etileno para producir dicloroetano (DCE), la conversión 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. 2.11 Procesos con reciclo, purga y derivación
    • Ejercicio 2.13: Una columna de destilación 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 porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extraído (D), y del reflujo (R) son idénticas porque el flujo V se condensa por completo. Calcule la razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído D.
  • 23.  

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