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Folleto de Balance de materia
- La alimentación fresca a una unidad de síntesis de metanol contiene 32,0% en mol de CO, 64% en mol
de 𝐻
2
y el resto (4%) de 𝑁
2
y fluye a una velocidad de 100 mol/h. La alimentación fresca se mezcla con
una corriente de recirculación, cuyo caudal es 400 mol/h para producir una alimentación al reactor que
contiene 13,0% en mol de 𝑁
2
. La corriente de producto que sale del condensador contiene sólo metanol
líquido. Para evitar el aumento de N2 en el sistema, se extrae una corriente de purga de la corriente de
gas que sale del condensador. Los gases no purgados constituyen la corriente de recirculación al
reactor. Calcular:
- a) Caudal de producción de metanol (mol/h).
- b) Caudal molar y composición del gas de purga.
- c) Conversión global.
- d) Conversión en una etapa.
Desarrollo
Balance en el punto de mezcla
A + G = B------------------- B= 400 mol recirculado + 100 mol alimentación= 500 mol alimentado al reactor.
Balance de nitrógeno en la recirculación
A ∗ 0 , 04 + 𝐺
𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
= B ∗ 0 , 13 − − − −→ 𝐺
𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
𝟐
𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
Asumiendo que la reaccion es estequiometria, se podrá realizar lo siguiente:
𝑔𝑎𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒
𝐶𝑂
ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
Por criterio esta fracción molar es la misma para la corriente E,F,G.
Balance de nitrógeno en la purga
E = F + G − −→ 𝐹
𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
− 61mol 𝑁
2
𝟐
Balance de la corriente que entra al reactor
A + G = B
Hidrogeno: 100 ∗ 0. 64 + 400 ∗ 0. 565 = 𝟐𝟐𝟔 𝐦𝐨𝐥 𝐡𝐢𝐝𝐫𝐨𝐠𝐞𝐧𝐨 𝐪𝐮𝐞 𝐞𝐧𝐭𝐫𝐚 𝐚𝐥 𝐫𝐞𝐚𝐜𝐭𝐨𝐫
Monóxido de carbono: 100 ∗ 0. 32 + 400 ∗ 0. 2825 = 𝟏𝟒𝟓 𝐦𝐨𝐥 𝐂𝐎 𝐪𝐮𝐞 𝐞𝐧𝐭𝐫𝐚 𝐚𝐥 𝐫𝐞𝐚𝐜𝐭𝐨𝐫
Inerte: 500 − 226 − 145 = 𝟔𝟓 𝐦𝐨𝐥 𝐢𝐧𝐞𝐫𝐭𝐞 𝐞𝐧𝐭𝐫𝐚 𝐚𝐥 𝐫𝐞𝐚𝐜𝐭𝐨𝐫
Balance general de la purga
Nitrógeno: 𝐹 =
4 𝑚𝑜𝑙 𝑁
2
- 1525
G + F = E − − − −→ E = 400 mol + 26. 22 mol = 𝟒𝟐𝟔. 𝟐𝟐 𝐦𝐨𝐥 𝐬𝐚𝐥𝐢𝐝𝐚 𝐝𝐞 𝐠𝐚𝐬𝐞𝐬 𝐝𝐞𝐥 𝐜𝐨𝐧𝐝𝐞𝐧𝐬𝐚𝐝𝐨𝐫
Balance para determinar el Hidrogeno y monóxido de carbono consumido
Reactante consumido = Entrada al reactor– salida del reactor −−→ R =
A + G
− E
Hidrogeno: ( 100 ∗ 0. 64 + 400 ∗ 0. 565 ) − 426. 22 ∗ 0. 565 = 𝟒𝟗. 𝟐𝟎 𝐦𝐨𝐥 𝐇𝐢𝐝𝐫𝐨𝐠𝐞𝐧𝐨 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐮𝐦𝐢𝐝𝐨
Monóxido de carbono:
Caudal del metanol
2
3
2
𝟑
Conversión global
24 , 60 mol NH 3
1 𝑚𝑜𝑙 NH
3
Conversión por paso
24 , 60 mol NH
3
1 𝑚𝑜𝑙 NH
3
- Debido a los actuales bajos precios del petróleo, el proceso de acoplamiento oxidativo de metano
(componente mayoritario del gas natural) para dar hidrocarburos superiores (etano y etileno) ha perdido
gran parte de su interés. Considerar que en dicho proceso tienen lugar sólo las siguientes reacciones:
4
2
2
2
6
2
6
2
2
2
4
2
4
2
2
2
y que en el reactor catalítico a 800 ºC se alcanza una conversión de CH4 del 25%, con selectividades de
CH4 a CO2, C2H6 y C2H4 de 25, 45 y 30%, respectivamente. Por otra parte, en la alimentación al reactor
(corriente F2) la relación CH4/O2= 10/3, mientras que en la alimentación fresca (F1) las concentraciones
en mol de CH4, O2 y N2 son 61,67; 37,60 y 0,73%, respectivamente. Determinar, para completar la tabla
que se adjunta, los flujos de todos los componentes en las corrientes F1 a F8, tomando como base 100 mol
de CH4 en F2 y suponiendo que la concentración de N2 en la purga es 4% en mol. Finalmente, en F4 no
hay más que CO2 y H2O; en F5, C2H4 y C2H6; y en F6, CH4, O2 y N2.
Desarrollo
Balance general de Nitrógeno
Nitrógeno: 0. 0073 ∗ 𝐹 1
7
Balance en el reactor
Metano reaccionado: 100 mol ∗
0 , 25 mol reacciona
1mol alimentado
𝟒
Oxigeno: 100 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 4 ∗
3 𝑚𝑜𝑙 𝑂
2
10 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 4
𝟐
Metano salida: 100 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 4
4
4
6 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜
Análisis de selectividad
Selectividad 1: 𝑆 1
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶𝑂 2
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝐻 4
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
2
4
2 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 2
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 4
𝟐
Selectividad 2: 𝑆 2
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶
2
𝐻
6
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝐻
4
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
2
6
4
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶
2
𝐻
6
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
4
𝟐
𝟔
Selectividad 3: 𝑆 3
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶 2
𝐻 4
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝐻 4
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
2
4
4
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 2
𝐻 4
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 4
𝟐
𝟒
Balance general
Balance de nitrógeno en la purga: 0. 0073 ∗ 𝐹 1
7
Balance en la recirculación: 53. 125 = 0. 9927 ∗ 𝐹 1 − 0. 96 ∗ 𝐹 7
Ree*9+9mplazando y resolviendo la ecuación
F7: 0. 1825 ∗ 65 = 𝟏𝟏. 𝟖𝟔𝟐𝟓 𝒎𝒐𝒍 𝒆𝒏 𝒍𝒂 𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑭𝟕
Corriente F
76. 875 = 0. 96 ∗ F7 + 0. 96 ∗ F
= F8 − − − −−→ 𝐹 8 = 𝟔𝟖. 𝟐𝟏𝟐𝟓 𝐦𝐨𝐥𝐞𝐬 𝐞𝐧 𝐥𝐚 𝐜𝐨𝐫𝐫𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞 𝐅𝟖
Corriente F
Corriente F
Corriente F 3
- El óxido de etileno se produce por medio de la oxidación catalítica de etileno.
2
4
2
2
4
Una reacción de competencia no deseada es la combustión del etileno:
2
4
2
2
2
La alimentación del reactor contiene 3 moles de etileno por cada mol de oxígeno. La conversión en una sola
etapa del etileno es del 20%, y por cada 100 moles de etileno consumidos en el reactor salen 80 moles de
óxido de etileno en los productos de reacción. Estos productos se separan posteriormente: el etileno y el
oxígeno se hacen recircular y se mezclan con la alimentación fresca, el óxido de etileno se vende como un
producto y el dióxido de carbono y el agua se desechan. Si se desea producir 1500 kg/h de óxido de etileno,
calcular:
a) Caudales molares y composiciones de todas las corrientes del proceso.
b) La conversión global del etileno.
Desarrollo
Moles de óxido de etileno
2
4
2
4
𝟐
𝟒
Moles de Etileno reaccionado
2
4
100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶
2
𝐻
4
80 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶
2
𝐻
4
𝑂
𝟐
𝟒
Moles producido en la reaccion no deseada
2
4
2
2
4
2
2
𝟐
2
2
2
𝟐
2
2
2
𝟐
Moles producido en la reaccion deseada
2
4
2
2
4
𝟐
Oxigeno total: 25. 575 + 17. 05 = 𝟒𝟐. 𝟔𝟐𝟓 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐎 𝟐
Corriente que se alimenta al reactor B
Etileno alimentado: 𝐵 𝑒𝑡𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜
- 625 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶
2
𝐻
4
𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
- 20
𝟐
𝟒
Oxigeno alimentado: 213. 125 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 2
4
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑂 2
3 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 2
𝐻 4
𝟐
B = 71. 0416 kmol O
2
+ 213. 125 kmol 𝐶
2
4
𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜
𝑒𝑡𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜
Moles totales en la corriente F
F = 17. 05 kmol CO
2
+ 17. 05 kmol H
2
O = 𝟑𝟒. 𝟏𝟎 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐬𝐚𝐥𝐞 𝐞𝐧 𝐥𝐚 𝐜𝐨𝐫𝐫𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞 𝐅
𝐶𝑂 2
𝑎𝑔𝑢𝑎
Moles totales en la corriente D
Oxigeno: 71. 0416 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑂 2
2
𝟐
Etileno: 213. 125 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 2
4
2
4
𝟐
E = 28. 42 kmol O
2
+ 170. 5 kmol C
2
4
𝑂 2
𝑒𝑡𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜
Moles totales en la corriente A
A = 284. 20 kmol − 198. 92 = 𝟖𝟓. 𝟑 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐬𝐚𝐥𝐞 𝐞𝐧 𝐥𝐚 𝐜𝐨𝐫𝐫𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞 𝐀
𝑂 2
𝑒𝑡𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜
Conversión total
𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛
- Se desea producir benceno mediante la desalquilación de tolueno, siguiendo la reacción:
C
6
H
5
CH
3
+ H
2
− −→ C
6
H
6
+ CH
4
Sin embargo, esta reacción catalítica ocurre acompañada de la reacción secundaria:
2C
6
H
5
CH
3
+ H
2
− −→ (C
6
H
5
) 2 + 2CH
4
que genera el subproducto indeseado bifenilo. Debido a esta reacción paralela, la conversión de tolueno
debe mantenerse por debajo del 100% y deben efectuarse una serie de procesos de separación, con
recirculación de los reactivos no utilizados tal y como se muestra en la figura. La alimentación al reactor
(corriente 3) contiene 5 moles de H2 por mol de tolueno, y se alcanza una conversión total de tolueno del
a) Suponiendo que la corriente de salida del reactor (corriente 6) contiene 5% de benceno y 2% de
tolueno (en moles), calcular el caudal molar y composición de todas las corrientes del proceso por
cada 100 kmoles/h de tolueno alimentado al reactor.
Caudal de la corriente F 6
Hidrogeno no reaccionado: 500 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻 2
− 6. 25 kmol H
2
− 62. 5 𝑘𝑚𝑜𝑙 H
2
𝟐
F6 = 431. 25 kmol + 12. 5 kmol + 6. 25 kmol + 25 kmol + 62. 5 kmol = 537. 5 kmol
Metano ingresa al reactor
Metano: 𝐹 3 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜
𝟒
Metano que sale en la purga
Metano: 𝐹 10 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜
4
4
𝟒
Caudal de la corriente F
𝐹 8 = 25 𝑘𝑚𝑜𝑙 C
6
H
5
CH
3
C
6
H
5
CH
3
difenilo
Caudal de la corriente F
F7 = 725 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 4 + 431. 25 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻
2
𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜
Caudal de la corriente F
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜
𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜
Caudal de la corriente F
Hidrogeno: 𝐹 5 ∗ 𝑥 𝐻 2
𝐻 2
= 431. 25 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 H
2
𝐻 2
𝐻 2
431. 25 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 H
2
Caudal de la corriente F
𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
C 6
H 5
CH 3
𝐶𝐻 4
Caudal de la corriente F
𝐹 2 = 500 𝑘𝑚𝑜𝑙 H
2
Conversión Global
Rendimiento de la reaccion
Selectividad
C
6
H
5
CH
3
−→C
6
H
6
62. 5 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 C
6
H
6
C 6
H 5
CH 3
−→difenilo
- 25 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 difenilo ∗ 2
- El diagrama mostrado en la figura adjunta corresponde a un proceso de oxidación de SO2 a SO3. En
este proceso la corriente de alimentación pasa a través de un sistema de dos reactores. La conversión
del SO2 que entra al primer reactor es del 75% y la del SO2 que entra al segundo reactor es del 65%.
Para aumentar la conversión global del proceso hasta el 95%, parte de la corriente de salida del
segundo reactor se recircula hasta la entrada del mismo reactor.
a. Calcular cuánto ha de recircularse por cada 100 moles de corriente de entrada al sistema.
2
2
3
Desarrollo
Balance en el reactor 1
Trióxido de azufre: 10 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑂 2
- 75 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂 2
𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
1 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂
2
𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜
1 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂 3
1 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂
2
3
Oxigeno: 7. 5 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑂 2
- 5 𝑚𝑜𝑙 𝑂
2
1 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂
2
2
2
2
Dióxido de azufre: 10 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑂 2
2
2
Caudales molares de salida del reactor 1 F
Balance general
Trióxido de azufre: 10 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑂 2
- 95 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂 2
𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
1 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂
2
𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜
1 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂 3
1 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂
2
3
Oxigeno: 9. 5 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑂 2
- 5 𝑚𝑜𝑙 𝑂
2
1 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂
2
2
2
2
Dióxido de azufre: 10 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑆𝑂 2
2
2
Nitrógeno: 𝐹 4 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
2
2
2
2
3
𝑁 2
𝑠𝑜 2
𝑠𝑜 2
𝑜 2
La composición es la misma para F 4 y para F 6 (recirculación)
Balance de SO2 en el segundo reactor
Dióxido de azufre entra al reactor: 2. 5 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂 2
Dióxido de azufre que reacciona: 𝑆𝑂 2
2
Dióxido de azufre que no reacciona= 𝑆𝑂 2
2
Balance de SO2 en el punto de recirculación
2
2
2
Balance general de inerte
Balance en el punto de mezcla de inerte
Inerte: 57 = 𝐹 1 ∗
Acetileno y acido: 950 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 2 𝐻 2 + 95 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑁 = 𝐹 1 ∗ ( 0. 95 ) + 𝐹 6 ∗ ( 0. 94 )
Despejando el sistema de ecuaciones:
Corriente de alimentación fresca F
Corriente de purga F
- El anhídrido maleico es un compuesto que se utiliza para la producción de polímeros y plásticos. La
obtención del anhídrido maleico se llevaba a cabo mediante la oxidación de benceno, pero desde
finales del siglo pasado un nuevo proceso lo ha sustituido. Se trata de la oxidación catalítica de butano
con oxígeno para obtener el anhídrido maleico (C4H2O3)
4
10
2
4
2
3
2
Desgraciadamente como en otras reacciones de oxidación existen una serie de reacciones del butano que
producen otros productos indeseables como son CO, CO2, buteno y butadieno:
4
10
2
2
4
10
2
2
2
4
10
2
4
8
2
4
10
2
4
6
2
En una planta química de producción de anhídrido maleico el proceso que se lleva a cabo es muy similar al
que se muestra en el esquema adjunto. El butano junto con oxígeno diluidos con CO2 y N2 se introducen
al reactor donde la conversión de butano es del 64% y las selectividades son: a anhídrido maleico del 65%,
a CO2 del 20%, a CO del 10%, a C4H8 del 2.5% y a C4H6 del 2.5%. Las altas selectividades a anhídrido
maleico se obtienen ya que a la entrada del reactor hay una concentración de butano en moles del 10%,
una concentración molar de CO2 del 10% y una relación molar oxígeno/butano de 4. La corriente que sale
del reactor se pasa por un primer condensador donde se obtiene anhídrido maleico puro. En el segundo
condensador el agua y el resto del anhídrido maleico se condensan para obtener una disolución del 1% en
moles de anhídrido maleico. Los compuestos que quedan (CO2, CO, C4H10, C4H8, C4H6, O2 y N2) se
llevan a una columna de destilación donde se separa por cola los C4. Los óxidos de carbono, con el oxígeno
y el nitrógeno se hacen pasar ahora por un convertidor de CO donde todo se convierte a CO2. La corriente
se recircula a la entrada al reactor para mantener la concentración óptima de CO2; y como siempre en estos
casos se debe de hacer una purga en esta corriente para evitar que se acumulen los inertes. Los C
separados en la columna de destilación se llevan a un combustor. La alimentación al sistema se hace con
una corriente de butano puro y aire enriquecido (oxígeno diluido con nitrógeno). Calcular los siguiente datos
si la producción de anhídrido maleico puro (A5) es de 6700 kg/día:
a) Composición de la corriente de salida del reactor (A4).
b) Caudal másico de la disolución de anhídrido maleico en agua (A7).
c) Composición y caudal molar de la purga (A13).
d) Caudal molar de butano puro que se alimenta al sistema (A1).
e) Composición del aire enriquecido que se alimenta al sistema (A2).
f) Conversión global del proceso.
Desarrollo
Nueva base de cálculo 100 kmol CH
Balance dentro del reactor
Metano: 𝐶𝐻 4 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
4
4
4
4
𝟒
Análisis de selectividad
Selectividad1: 𝑆 1
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶 4
𝐻 2
𝑂 3
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶
4
𝐻
10
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
4
2
3
4
10
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 2
𝑂 3
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
4
𝟒
𝟐
𝟑
Selectividad 2: 𝑆 2
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶𝑂
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝐻 4
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
4
10
4 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 4
Selectividad 3: 𝑆 3
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶𝑂
2
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝐻
4
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
2
4
10
4 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂
2
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
4
𝟐
Selectividad 4: 𝑆 4
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶 4
𝐻 8
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝐻 4
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
4
8
4
10
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 8
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 4
𝟒
𝟖
Selectividad 5: 𝑆 5
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶
4
𝐻
6
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝐻
4
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
4
6
4
10
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶
4
𝐻
6
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
4
𝟒
𝟔
Agua producida
Agua 1 : 41. 6 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
2
3
4 𝑚𝑜𝑙 𝐻 2
𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 2
𝑂 3
𝟐
Agua 2 : 25. 6 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 ∗
5 𝑚𝑜𝑙 𝐻 2
𝑂
4 𝑚𝑜𝑙 CO
𝟐
Agua 3 : 51. 2 𝑘𝑚𝑜𝑙 CO 2
5 𝑚𝑜𝑙 𝐻
2
𝑂
4 𝑚𝑜𝑙 CO
2
𝟐
Agua 4 : 1. 6 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
8
1 𝑚𝑜𝑙 𝐻
2
𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 8
𝟐
Agua 5 : 1. 6 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
6
2 𝑚𝑜𝑙 𝐻
2
𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 6
𝟐
Balance en el convertidor
CO2: 25. 6 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 ∗
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 2
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂
𝟐
Oxigeno: 25. 6 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 ∗
- 5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑂 2
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂
2
2
2
𝟐
2
2
2
𝑂 2
𝑁 2
𝐶𝑂 2
Balance en el CO2 en el punto de mezcla
CO2: 0. 2515 ∗ 𝐴 12 = 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂
2
Oxigeno: 𝐴 12 𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜
𝟐
Nitrógeno: 𝐴 12 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
𝟐
Balance en el O2 en el punto de mezcla
Oxigeno: 𝐴 2 𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜
2
2
𝟐
Nitrógeno: 𝐴 2 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
𝟐
2
2
𝑂 2
𝑁 2
Llevando a la base de calculo original
4
2
3
4
2
3
4
2
3
4
2
3
Factor de multiplicación:𝐹:
𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙
𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑎𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎
36
6
Respuesta general:
a. 𝑥 𝐶𝑂
2
𝐶𝑂
𝐻
2
𝑂
𝐶
4
𝐻
6
𝐶
4
𝐻
8
𝐶
4
𝐻
10
𝐶 4
𝐻 2
𝑂 3
0 2
𝑁 2
b. 𝟐𝟔𝟗. 𝟗𝟎 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐀𝟕 ∗ 𝟏. 𝟔𝟒 = 𝟒𝟒𝟐. 𝟔𝟒 𝐤𝐦𝐨𝐥
c. 𝑥
𝑂 2
128
- 8
𝑁 2
400
- 8
𝐶𝑂 2
d. 𝟏𝟎𝟎 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐀𝟏 ∗ 𝟏. 𝟔𝟒 = 𝟏𝟔𝟒 𝐤𝐦𝐨𝐥
e. 𝑥 𝑂
2
328
- 35
𝑁
2
f. 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 = 0.
- La síntesis de cloruro de metilo se puede llevar a cabo por cloración de metano según la siguiente
reacción:
4
2
3
Junto con esta reacción se puede producir simultáneamente la reacción no deseada de formación de cloruro
de metileno según el siguiente esquema:
4
2
2
2
Para minimizar la polisustitución y maximizar la producción de cloruro de metilo, la relación molar metano-
cloro se debe de mantener en valores altos. En un proceso de producción de cloruro de metilo se alimentan
al reactor una corriente constituida por Cl2 puro y otra corriente constituida principalmente por metano, de
tal forma que la relación molar de CH4:Cl2 que entran al reactor es de 6:1, consiguiéndose que reaccione
el 90 % del cloro que entra al reactor. La relación entre los moles de CH3Cl y CH2Cl2 en la corriente de
salida del reactor es de 5:1. Esta corriente gaseosa se enfría, condensando completamente el CH3Cl y el
CH2Cl2 que se separan posteriormente en una columna de destilación de forma completa. El gas que sale
del condensador se lleva a una torre de separación donde se separa en forma de una corriente de ClH puro
el 95 % del ClH que entra y, por otro lado, el metano y el cloro que no han reaccionado junto con el ClH no
separado. Esta última corriente se recircula, mezclándose con una corriente de metano puro fresco para
formar la alimentación de metano al reactor.
Si se desea producir 2000 kg/h de CH3Cl, determinar:
a) el flujo molar total de todas las corrientes del proceso y sus composiciones expresadas en fracción
molar mostrando todos estos valores en el diagrama de flujo que se deberá dibujar al efecto;
b) la selectividad y rendimiento global del cloro al cloruro de metilo.
Desarrollo
Balance en la columna de destilación
Cloruro de metileno: 2000 𝑘𝑔 ∗
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
𝐶𝑙
- 5 𝑘𝑔
𝟑
Diclorometano:
𝑥 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
3
𝐶𝑙
𝑦 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 2
𝐶𝑙 2
- 60 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
3
𝐶𝑙
5
𝟐
𝟐
3
2
2
𝐶𝐻
3
𝐶𝑙
𝐶𝐻
2
𝐶𝑙
2
Balance en el reactor
Ácido clorhídrico 1: 39. 60 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
3
𝐶𝑙
Ácido clorhídrico 2: 7. 92 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 2
2
2 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝐿
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
𝐶𝑙
cloro 1: 39. 60 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑙 2
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
𝐶𝑙
2
selectividad
Selectividad1: 𝑆 1
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶𝐻 3
𝐶𝑙
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑙 2
𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛
- 60 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
𝐶𝑙
- 54 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑙 2
Rendimiento
Rendimiento 1: 𝑅 1
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐴 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝐶𝐻
3
𝐶𝑙
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑙 2 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎
- 62 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
3
𝐶𝑙
- 54 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑙 2
- El formaldehido es un compuesto que se utiliza en la fabricación de múltiples productos entre los que
se pueden citar: plásticos, fluidos de corte, medicamentos, fibras, cosméticos y detergentes. Su
producción se lleva a cabo por deshidrogenación catalítica del metanol en presencia de oxígeno según
la reacción:
3
2
2
2
utilizando para ello catalizadores de hierro-óxido de molibdeno en lecho fijo y a temperaturas relativamente
altas.
Para producir 100 kmol/h de formaldehido se dispone de un sistema de reacción al que se alimenta una
corriente de metanol puro gaseoso que se mezcla con una corriente de aire seco. La corriente resultante
es la alimentación fresca que se mezcla con una corriente de gases de recirculación del sistema, antes de
introducirse al reactor, de tal forma que la proporción en moles de oxígeno a metanol a la entrada del reactor
es de 2'5/1. En el reactor se alcanza una conversión del 20 % y la corriente de salida del reactor se introduce
en un separador donde se obtiene una corriente líquida con todo el formaldehido y el agua formados en la
reacción y sin ningún otro compuesto, y otra corriente gaseosa con el metanol no reaccionado, el oxígeno
restante y nitrógeno, que se recircula. Para evitar que la concentración de nitrógeno a la entrada del reactor
supere el valor del 95 % en moles, antes de recircular la corriente gaseosa que sale del separador y
mezclarla con la alimentación fresca, es necesario efectuar una purga. Determinar:
a) Flujo molar de la purga (kmol/h) y composición de esta (% en moles).
b) Flujo de metanol necesario (kmol/h) para la producción de formaldehido
Desarrollo
Salida del separador
Agua: 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 2
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻
2
𝑂
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
2
𝑂
2
2
2
Alimentación al reactor
Metanol: 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 2
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
𝑂𝐻
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 2
𝑂
3
3
3
3
3
3
𝑂𝐻 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑒𝑛 A
Reactor
Separa
dor
A
A 2
A 3
A 4
A 5
A 6 A 7
A 8
Oxigeno: 500 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
- 5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑂 2
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻
3
𝑂𝐻
2
2
2
2
2
2
2
2
= 1200 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑂 2 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑒𝑛 A
Corriente gaseosa del separador
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜
Nitrógeno: 32000 𝑘𝑚𝑜𝑙 − 1200 𝑘𝑚𝑜𝑙 − 400 𝑘𝑚𝑜𝑙 = 30400 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑁 2
𝑂 2
𝐶𝐻 3
𝑂𝐻
𝑁 2
Balance en el punto de mezcla
Nitrógeno: 𝐀𝟖 ∗ 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝐀𝟔 ∗ 𝟎. 𝟗𝟓 = 𝟑𝟎𝟒𝟎𝟎 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐍 𝟐
Oxigeno:𝐀𝟖 ∗ 𝟎. 𝟐𝟏 + 𝐀𝟔 ∗ 𝟎. 𝟎𝟑𝟕𝟓 = 𝟏𝟐𝟓𝟎 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐎 𝟐
Metanol: 𝐴 1 + 𝐴 6 ∗ 0. 0125 = 500 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 3
Resolviendo el sistema de ecuaciones
- Para obtener CO2 para usos industriales existen diversos procedimientos. Uno de ellos es aprovechar
los gases de escape de calderas, de motores o de turbinas donde se queme un combustible
hidrocarbonado, y absorber el CO2 con disoluciones de etanolaminas como agente absorbente
haciendo pasar los gases en contracorriente con las etanolaminas en torres de absorción y separando
posteriormente el CO2 absorbido de la disolución de etanolaminas en un regenerador que permita el
reciclado del absorbente a la columna de absorción.
Una pequeña central térmica utiliza este proceso. Quema en una turbina 10 kg/min de gas natural
(considerar el gas natural como metano puro), y lo quema con un 10 % en exceso aire sobre el
estequiométrico para asegurarse la combustión completa del gas natural a CO2 y H2O. La corriente de gas
de combustión, a 100 ºC y a 3 atmósferas de presión absoluta, entra a la columna de absorción en la que
se introduce a contracorriente una disolución acuosa de dietanolamina (DEA) del 30 % en peso. En la torre
de absorción sólo se absorbe CO2, alcanzándose una absorción del 95 % del CO2 que entra, saliendo los
gases a 70 ºC y 1’5 atmósferas de presión absoluta y saturados en vapor de agua a dicha temperatura (21’
% en volumen de agua). La corriente líquida que abandona la torre con el CO2 absorbido va al regenerador,
donde se separa completamente el CO2 por un lado, en forma de corriente gaseosa (CO2 puro), y una
corriente líquida que sólo contiene agua y DEA, que se recicla a la torre de absorción y a la que, antes de
entrar a la torre, se le añade agua líquida pura para compensar la pérdida de agua que se produce con los
gases que abandonan la torre de absorción, para alcanzar el 30 % en peso de DEA que debe entrar a la
torre como absorbente.
Determinar:
Caudal en m3/min de la corriente de gas que sale de la torre de absorción.
2
2
2
𝐻 2
𝑂
𝐷𝐸𝐴
Agua; 1. 6962 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐷𝐸𝐴 ∗
9380
0619
2
Caudal de la corriente gaseosa
2
2
2
Agua retenida: 2. 03 𝑘𝑚𝑜𝑙 ∗ 0. 212 = 0. 4303 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑒𝑛 𝐴 4 ------8.10 m3 h
Agua de reposición en el punto de mezcla
2
2
2
𝐴 8 =Balance de agua en la torre de absorción
Agua: 1. 4285 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻 2
𝑎𝑔𝑢𝑎
DEA: 𝑨𝟗 ∗ 𝟎. 𝟎𝟕𝟖 = 𝑨𝟓
𝑫𝑬𝑨
Dióxido de carbono:𝐴 5 𝐶𝑂 2
𝐷𝐸𝐴
𝐻 2 𝑂
- El butano se deshidrogena a buteno en un reactor catalítico de acuerdo al diagrama de flujo que se
muestra. La conversión del butano en el reactor es del 5 % y la selectividad de butano a buteno es del
50 %. Calcular:
a) Los kmoles de buteno, de gas residual y coque producidos por kmol de butano nuevo alimentado;
b) la relación de recirculación, definida como moles de butano recirculado/moles de butano en la
alimentación nueva
4
10
4
8
2
Desarrollo
Balance del reactor
Butano: 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
10
4
10
4
10
4
10
𝟒
𝟏𝟎
Buteno reaccionado 5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
10
𝐶 4
𝐻 8
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 10
𝟒
𝟖
Alimentación de butano
4
10
4
10
𝟒
𝟏𝟎
Balance atómico de especie
Carbono de entrada: 5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
10
4 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 10
4
10
𝐶𝑜𝑞𝑢𝑒
Hidrogeno de entrada: : 5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
10
10 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 10
4
8
Coque: 20 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 −
a.
- 5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝐶 4
𝐻 8
5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶
4
𝐻
10
𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜
b.
- 34 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠
5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 10
𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜
c.
- 313 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑒
5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶 4
𝐻 10
𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜
- El anhídrido maleico (C4H2O3) es un producto muy importante desde un punto de vista industrial ya
que sirve de base para la fabricación de poliésteres, resinas, plastificantes, lubricantes e incluso
pesticidas. Industrialmente se produce por oxidación de benceno, pero se están estudiando otras vías
como la oxidación de n-butano utilizando catalizadores de óxidos de vanadio y fósforo, que llevan a
cabo la siguiente reacción en fase gas:
4
10
2
4
2
3
2
Sin embargo, junto con esta reacción, hay otra reacción secundaria no deseada de combustión
4
10
2
2
2
que disminuye el rendimiento del proceso. Un proceso posible sería la utilización de un reactor al que se
alimenta una corriente gaseosa constituida por N2, O2 y n-butano que se encuentra al 8% en volumen, y
que se forma por la adición de una corriente de n-butano puro fresco, otra corriente de aire enriquecido de
composición 50 % de O2 y 50 % de N2, y una tercera corriente de n-butano puro recirculado. En el reactor
se alcanza una conversión del n-butano del 80 % y una selectividad del n-butano a anhídrido maleico del
70%. La corriente gaseosa que sale del reactor se lleva a un primer separador donde se separa
completamente el anhídrido maleico por un lado, y el resto de compuestos por otro que, a su vez, se llevan
a un segundo separador donde se obtiene una corriente de n-butano puro que se recircula para formar con
el nbutano fresco y el aire fresco la alimentación al reactor, y una segunda corriente formada por el resto
de compuestos y con algo de n-butano que no se ha separado, de tal forma que el n-butano está en
composición 1 % en moles. Calcular:
a) composición de la corriente que sale el segundo separador y que tiene un 1 % en moles de n-butano
b) moles de n-butano recirculados por cada mol de nbutano fresco alimentado al proceso.
Reactor
Separad
or 1 Separad
or 2
A
A 3
A 2
A 4
A 5
A 6
A 7
A 8
