Problemas de Balances de Materia y Energía

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a) Caudales y composiciones de todas las corrientes indicadas.

b) Rendimiento de tolueno a etiltolueno.

8.- El formaldehído se obtiene por reacción entre metanol y oxígeno en presencia de un catalizador de plata, de acuerdo con el esquema que se indica en la figura. El aire se introduce en el sistema en un 100% en exceso respecto del estequiométrico necesario para el alimento fresco, alcanzándose una conversión en el reactor del 60%. El producto de reacción pasa a un separador en el que se obtienen tres corrientes, una de metanol puro no convertido, que se recircula a la entrada del reactor, el agua líquida y una corriente gaseosa que contiene nitrógeno, oxígeno y formaldehído. Calcúlese:

a) El caudal de las diferentes corrientes del proceso si se alimenta al sistema 100 kmol/h de metanol fresco.

b) La composición de las corrientes que entran y salen del reactor.

[pic 10]

CH3OH (R)[pic 11]

[pic 12][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16][pic 17][pic 18][pic 19][pic 20][pic 21]

[pic 22]

CH3OH REACTOR Y SEPARADOR

100 kmol/h Z N2

O2

CH2O

Aire (X) H2O (P)

CH3OH + 1/2 O2 ⎯→ CH2 O+ H2O

9.- En una planta de producción de óxido de etileno la alimentación fresca consiste en un 25% de etileno y un 75% de aire (en moles). En el reactor tienen lugar las dos reacciones siguientes:

C2H4 + ½ O2 C2H4O (formación de óxido de etileno)[pic 23]

C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O (combustión parcial de etileno)[pic 24]

Un 26 % del etileno que entra al reactor se convierte según la primera reacción para dar óxido de etileno, en tanto que un 1% del etileno alimentado al reactor se quema de acuerdo con la segunda reacción para dar CO2 y H2O. A la salida del reactor se separan, en sucesivas etapas, todo el óxido de etileno, el H2O y el CO2 formados. El resto de la corriente gaseosa se recircula al reactor, excepto una cantidad de la misma que se purga para evitar la acumulación de inerte (N2). La cantidad de etileno en la purga representa un 30% del que entra con la alimentación fresca. Determínese:

- Producción de óxido de etileno por cada 100 kmol de etileno en la alimentación fresca.

- Composición de la corriente de entrada al reactor.

- Relación entre los caudales de recirculación y purga.

10.- En un reactor continuo se lleva a cabo la reacción de oxidación, en fase gaseosa, de metano con oxígeno para producir formaldehído (HCHO), según:

CH4 + O2 HCOH + H2O[pic 25]

En las condiciones en las que opera el reactor se produce paralelamente la combustión del metano. En total se convierte el 40% del metano alimentado al reactor, con una selectividad del 75% para la primera reacción. La oxidación se lleva a cabo con aire, que se alimenta al reactor a una temperatura de 100ºC y en una proporción tal que la relación molar O2/CH4 en la alimentación es de 2/1. El metano entra al reactor a una temperatura de 25ºC.

Calcúlese la cantidad de calor que se debe extraer del reactor para que la corriente que abandona el mismo tenga una temperatura de 150ºC.

Datos: Entalpía de la reacción de oxidación del metano para dar formaldehído a 25ºC: − 282,9 (kJ/mol). Entalpía de combustión del metano a 25ºC: − 802,3 (kJ/mol). Calores específicos (en J/mol.ºC): O2: 29,9; N2: 29,2; CH4: 39,2; HCHO: 38; CO2: 39,5; H2O (líquido): 75,2; H2O (vapor): 34,2. Calor latente de vaporización del agua (a 100ºC y 1 atm): 40,63 kJ/mol. El reactor opera a 1 atm de presión.

Para aumentar el aprovechamiento del metano se piensa en recircular parte de la corriente de salida del reactor, una vez separados el formaldehido y el agua ¿Qué cantidad de metano habría de recircular para conseguir un rendimiento del 60% de metano a formaldehido? ¿Cuánto metano se purga en estas condiciones?

11.- Una planta de obtención de amoníaco produce 48,5 t/h del mismo. La alimentación fresca consiste en 6.000 kmoles/h de una mezcla de N2 y H2 en la proporción molar estequiométrica correspondiente a la reacción N2 + 3H2 → 2NH3. A la mezcla de N2 y H2 le acompaña en la alimentación fresca una cantidad de Argón igual a 0,3 moles por cada 100 moles de N2 + H2. En el reactor la conversión es del 26% y a la salida del mismo se separa en un condensador todo el amoníaco formado. La corriente gaseosa que sale del condensador, conteniendo N2, H2 y Ar, se recircula al reactor después de purgar una fracción de la misma para evitar la acumulación de Ar en el sistema.

Determínese:

- Relación entre los caudales molares de recirculación y purga.

- Composición de ambas corrientes.

- Proporción molar de Ar a N2 + H2 a la entrada del reactor.

La corriente que sale del reactor, tras una expansión en turbina, entra al condensador a 300ºC y 20 atm de presión y tanto el amoníaco condensado como los gases abandonan el mismo a 15ºC y 20 atm. Como fluido refrigerante se utiliza agua, que entra al condensador a 15ºC, produciéndose vapor sobrecalentado a 5 atm y 170ºC. Determínese la cantidad del mismo producida.

Datos: Calores específicos (kcal/kg.ºC): N2: 0,27; H2: 3,45; Ar: 0,12; NH3 líquido: 1,17; NH3 gas: 0,55; Vapor de agua: 0,47; Agua líquida: 1.

Calores latentes de vaporización/condensación (kcal/kg): H2O: 504; NH3: 328.

Temperaturas de ebullición: H2O a 5 atm: 152ºC; NH3 a 20 atm: 50ºC.

12.- Se desea elevar la temperatura de un crudo petrolífero desde 25ºC hasta 90ºC con el fin de facilitar su bombeo. Para suministrar la energía necesaria se utiliza como combustible metano, que se quema completamente con aire en un exceso del 20% sobre el estequiométrico. Tanto el metano como el aire entran al combustor a 25ºC y los gases

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