UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO

1. UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO Departamento Académico de Ciencias QUÍMICA INDUSTRIAL INORGÁNICA Ing. Miguel RAMIREZ GUZMAN

2. BALANCE DE MATERIA • En Régimen Estacionario • Recirculación • Purga • Derivación • Sin Reacción Química • Con Reacción Química (se aplica estequiometria)

3. BALANCE DE MATERIA En este tema nos ocuparemos de la Ley de Conservación de Materia. Un balance de materia es el computo exacto de las materias que entran, salen, se acumulan, aparecen y desaparecen en una operación básica o en un proceso industrial. INSUMOS PROCESO PRODUCTOS

4. Ley de Conservación de Masas Debemos partir de la ley de conservación de la masa o ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier: “ La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”

5. Procesos Continuos o por lotes Un proceso continuo se caracteriza porque las materias primas entran constantemente por un extremo del sistema, mientras el otro extremo se obtiene de forma continúa un producto terminado. Un proceso discontinuo, por lotes o batch, es cuando se carga la materia prima en un equipo, llevar a cabo en el mismo las transformaciones deseadas y descarga a continuación los productos resultantes. TE APROVE: investigar otros tipos de procesos industriales.

6. Diagrama de Flujo Representación esquemática de las operaciones, procesos y o procedimientos que se llevan a cabo para la fabricación de un producto, en el que se indican intercambios de masa y energía

7. Energía eléctrica Agua tratada Combustible Energía eléctrica Detergentes Germicidas Suavizantes, etc. Emisiones a la atmósfera Agua residual con materia orgánica Agua residual de enjuague Generador de vapor Proceso de Lavado Planchado Ropa limpia y planchada Ejemplo de un diagrama Materias primas y servicios Flujo de proceso Residuos

8. Variables de Proceso Para realizar los balances de materiales en un proceso es necesario contar con algunas características de lascorrientes que forman parte del proceso. • Algunas variables útiles para caracterizar una corriente • de proceso son: • Densidad y Volumen Específico • Flujo Másico o Volumétrico • Composición Química

9. Procedimiento Ley de Conservación de la Materia Acumulación dentro del sistema Entrada por los límites del sistema Salida por los límites del sistema Generación dentro del sistema Consumo dentro del sistema - - = + Si no hay generación o consumo de materia dentro del sistema: Acumulación = Entradas - Salidas Si no existe acumulación o consumo de materia dentro del sistema, se dice que estamos en estado estacionario o uniforme. Entradas = Salidas Si no existen flujos de entrada y salida, se reduce al concepto básico la conservación de la materia dentro de un sistema cerrado o aislado.

10. Para todo balance de materia debe definirse un sistema, se entiende por este a cualquier porción arbitraria o total de un proceso. Sistema 1 Proceso A Proceso B Sistema 2 Sistema 3

11. El Método General para Resolver Balances de Masa (BM) es Simple: • Definir el sistema. Dibujar un diagrama de proceso o flowsheet. • Indicar los límites del sistema, los flujos que entran y salen. Identificar los flujos con un número o una letra. • Colocar en el diagrama los datos disponibles. • Observar cuales son las composiciones que se conocen, o que pueden calcularse fácilmente para cada corriente. • Determinar las masas (pesos) que se conocen, o que pueden definirse fácilmente, para cada corriente. Una de estas masas puede usarse como base de cálculo. • Seleccionar una base de cálculo adecuada. Cada adición o sustracción deberá hacerse tomando el material sobre la misma base. • Asegurarse de que el sistema esté bien definido.

12. Una vez logrado lo anterior, se estará preparado para efectuar el número necesario de balances de materia. • Un BM total. • Un BM para cada componente presente. Proceso BM(T)1 BM(T)2 BM(c)a BM(c)a BM(c)b BM(c)b

13. Tipos de Configuraciones de Flujo Flujos de recirculación Recirculación es retornar parte de los flujos de salida del proceso y mezclarlo con los de entrada. Para: • Recuperar energía • Aumentar la calidad de un producto (logar que salga más concentrado en alguno de los componentes) • Recuperar reactantes sin transformar Producto Alimentación Alimentación Mezclador Proceso Separador total fresca Recirculación

14. 2. Flujos con purga En ocasiones es conveniente eliminar del proceso una proporción de material, para mantener controlada la acumulación de impurezas. Producto Alimentación Alimentación Mezclador Proceso Separador total fresca Recirculación Purga 3. Flujos en derivación o bypass Consiste en separar parte de la alimentación fresca, y mezclarla con los productos, sin pasar por el proceso. Esto permite controlar la concentración o temperatura del producto. Proceso Bypass

15. SIN REACCÓN QUÍMICA Ejercicios 1. La biorremediación es un método de limpieza tanto para agua como suelos contaminados. Si una solución diluida de nutrientes es bombeada a un recipiente de tierra con caudal de 1,5 kg/h, y se recupera a la salida 1,2 kg/h, responder: a. ¿Cuál es el sistema? Tierra contaminada Sistema

16. b. ¿Cuál es el valor de ingreso por hora? c. ¿Y el de salida por hora? Tierra contaminada 1,2 kg/h 1,5 kg/h d. ¿Cuál es el valor de acumulación por hora? Acumulación = Entrada - Salida Acumulación = 1,5 kg/h – 1,2 kg/h = 0,3 kg/h e. ¿Qué se asumió en la respuesta a la pregunta anterior? Para que se de la acumulación, debe haber reacción química.

17. 2. Si un litro de alcohol etílico se mezcla con 1L de agua, ¿cuantos kg de solución resultan? ¿Cuántos litros? Las densidades del alcohol y el agua a 20°C son 0,789 y 0,998 g/cm3, respectivamente. Alcohol Mezclador Alcohol diluido (solución) Agua Masa de alcohol: Alcohol = 1 L . = 0,789 kg Masa de agua: Agua = 1 L . = 0,998 kg Cantidad de solución = 0,789 kg + 0,998 kg = 1,787 kg

18. Una mezcla líquida, de composición molar 20% N2, 30% CO2y 50% O2, se separa en una columna de destilación, dando un flujo de cabeza (N2y CO2) y un flujo de cola (2,5% N2, 35% CO2, y O2). Este flujo alimenta una segunda columna destiladora, dando un producto de cabeza con 8% N2, 72% CO2y 20% O2, y un producto de cola (CO2y O2). Para una alimentación de 1000 mol/hora a la primera columna, calcule los flujos y composiciones restantes. Cabeza 8% N2 72% CO2 20% O2 N2 CO2 4 2 Columna 1 Columna 2 1000 mol/h 20% N2 30% CO2 50% O2 1 2,5% N2 35% CO2 O2 3 CO2 O2 5 Cola

19. Se comenzará a resolver por la columna 1: Base de cálculo: F1 = 1000 mol/h 2 N2 CO2 1000 mol/h 20% N2 30% CO2 50% O2 Columna 1 1 3 2,5% N2 35% CO2 O2 Balance de materia total: F1 = F2 + F3 …… (1) 1000 mol/h = F2 + F3 Balance N2: F1.XN2(1) = F2.XN2(2) + F3.XN2(3) …… (2) 1000.0,2 = F2.XN2(2)+ F3.0,025

20. 2 N2 CO2 1000 mol/h 20% N2 30% CO2 50% O2 Columna 1 1 3 2,5% N2 35% CO2 O2 Balance CO2: F1.XCO2(1) = F2.XCO2(2) + F3.XCO2(3) ……… (3) 1000.0,30 = F2.XCO2(2) + F3.0,35 Pero: XCO2(2) = 1 - XN2(2) ……… (4) Tenemos 4 ecuaciones y 4 incógnitas: F2, F3, XN2(2), XCO2(2). Reemplazando (4) en (3): ……… (5) 1000.0,30 = F2.[1-XN2(2)] + F3.0,35

21. Resumiendo las ecuaciones: …… (1) 1000 mol/h = F2 + F3 …… (2) 1000.0,2 = F2.XN2(2)+ F3.0,025 …… (5) 1000.0,30 = F2.[1-XN2(2)] + F3.0,35 Reemplazando (1) en (2): 200 = F2.XN2(2)+ (1000 – F2).0,025 …… (6) 200 = F2.XN2(2)+ 25 – F2.0,025 (1) en (5): 300 = F2.[1-XN2(2)] + (1000 – F2).0,35 …… (7) 300 = F2 - F2.XN2(2) + 350 – F2.0,35 Igualando (6) y (7): F2.XN2(2) = 175 + F2.0,025 = 50 + F2 – F2.0,35 125 + = F2 – F2.0,35 - F2.0,025

22. 125 + = F2 – F2(0,375) F2.0,625 = 125 F2 = 200 mol/h F3 = 800 mol/h De (6): 200 = F2.XN2(2)+ 25 – F2.0,025 175 = 200.XN2(2) – 200.0,025 XN2(2) = 0,90 = 90% De (4): XCO2(2) = 1 - XN2(2) XCO2(2) = 0,10 = 10%

23. Balance columna 2 4 8% N2 72% CO2 20% O2 800 mol/h 2,5% N2 35% CO2 O2 3 Columna 2 5 CO2 O2 Balance materia total: F3 = F4 + F5 …… (8) 800 = F4 + F5 Balance N2: F3.XN2(3) = F4.XN2(4) + F5.XN2(5) …… (9) 800.0,025 = F4.0,08 + 0

24. 4 8% N2 72% CO2 20% O2 800 mol/h 2,5% N2 35% CO2 O2 3 Columna 2 5 CO2 O2 Balance CO2: F3.XCO2(3) = F4.XCO2(4) + F5.XCO2(5) …… (10) 800.0,35 = F4.0,72 + F5.XCO2(5) De (9): 800.0,025 = F4.0,08 + 0 F4 = 250 mol/h De (8): 800 = F4 + F5 F5 = 550 mol/h

25. De (10): 800.0,35 = F4.0,72 + F5.XCO2(5) 800.0,35 = 250.0,72 + 550.XCO2(5) XCO2(5) = 0,182 = 18,2% XO2(5) + XCO2(5) = 100% XO2(5) = 0,818 = 81,8% 4. 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). 5. 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.

26. CON REACCÓN QUÍMICA Estequiometria es la aplicación práctica de la ley de proporciones múltiples. La ecuación estequiométricade una reacción química, establece sin ambigüedad el número de moléculas de reactantes y productos que intervienen en una reacción. 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.

27. Ejercicios: 1. El análisis del gas que entra en el convertidor secun­dario de una planta de ácido sulfúrico de contacto es 4 % SO2, 13 % O2 y 83 % N2 (en volumen). El gas que sale del convertidor contiene 0,45 % SO2 en base libre de SO3 (en volumen). Calcular el porcentaje del SO2 que se convierte en SO3. SO3 4% SO2 13% O2 83% N2 0,45% SO2 O2 N2 2SO2 + O2 2SO3 Base de cálculo: 100 kmolesde gas que entra en el convertidor. SO3 2 4 kmol SO2 13 kmol O2 83 kmol N2 0,45% SO2 O2 N2 2SO2 + O2 2SO3 3 1

28. x SO3 2 4 kmol SO2 13 kmol O2 83 kmol N2 y SO2 z O2 k N2 2SO2 + O2 2SO3 3 1 Balance de N2: N2(1) = N2(3) 83 = k …… (1) Balance de S: S(1) = S(2) + S(3) 4 = x + y …… (2) Balance de O: OSO2(1) + OO2(1) = OSO3(2) + OSO2(3) + OO2(3) 8 + 26 = 3.x + 2.y + 2.z 34 = 3.x + 2.y + 2.z …… (3) % SO2 en la salida (0,45%): 0,45 = . 100 …… (4)

29. x SO3 2 4 kmol SO2 13 kmol O2 83 kmol N2 y SO2 z O2 k N2 2SO2 + O2 2SO3 3 1 y = 0,3915 x = 3,6085 z = 11,1958 Conversión del SO2: SO2 convertido = SO3 formado = 3,6085 kmoles SO2 que entra en el reactor = 4 kmoles % Conversión = . 100 Conversión = 90,2 %

30. 2. Una mezcla de dióxido de carbono puro e hidrógeno se pasa por un catalizador de níquel. La temperatura del catalizador es 315 ºC y la presión del reactor 20,1 atm. El análisis de los gases que salen del reactor es CO2 57,1%, H241,1%, CH41,68% y CO 0,12% (en volumen) en base seca. Las reacciones que tienen lugar en el reactor son: CO2 + 4 H2 CH4+ 2 H2O CO2 + H2 CO + H2O Determinar: a) la conversión de CO2 b) el rendimiento de CH4 referido al CO2 reaccionado c) la composición de la alimentación.

31. 57,1% CO2 41,1% H2 1,68% CH4 0,12% CO CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O CO2 + H2  CO + H2O 1 x CO2 y H2 2 3 z H2O Base de cálculo: 100 kmol Balance de C: ……… (1) x = 57,1 + 1,68 + 0,12 = 58,9 Balance de H: 2.y = 2.41,1 + 4.1,68 + 2.z ……… (2) y = 44,46 + z Balance de O: 2x = 2.57,1 + 0,12 + z 2x = 114,2 + 0,12 + z ……… (3)

32. 57,1% CO2 41,1% H2 1,68% CH4 0,12% CO CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O CO2 + H2  CO + H2O 1 58,9 CO2 47,94 H2 2 3 3,48 H2O (1) en (3): 2. 58,9 = 114,2 + 0,12 + z z = 3,48 En (2): y = 44,46 + 3,48 = 47,94 a) Cálculo de la conversión del CO2 % Conversión = . 100 % Conversión = . 100 Conversión = 3,6%

33. 57,1% CO2 41,1% H2 1,68% CH4 0,12% CO CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O CO2 + H2  CO + H2O 1 58,9 CO2 47,94 H2 2 3 3,48 H2O b) Cálculo la selectividad hacia CH4 % Selectividad . 100 % Selec . 100 Selec CH4 = 93,3 % c) Composición de la alimentación 58,9 CO2 + 47,94 H2 = 106,84 CO2 = 55,13% H2 = 44,87%

34. Aire 100% exceso Convertidor 95% Horno S+O2 = SO2 2SO2+O2 = 2SO3 4 Fe+3O2 = 2Fe2O3 Pirita 40% Fe 43,6% S Fe2O3 3. Una pirita de hierro tiene la siguiente composición en peso: Fe 40,0%; S 43,6%; 16,4% material mineral inerte. Esta pirita se quema con un 100% de exceso de aire sobre la cantidad requerida para quemar todo el hierro a Fe2O3 y todo el azufre a SO2. Supóngase que no se forma nada de SO3 en el horno. Los gases formados pasan al convertidor, donde se oxida el 95% de SO2 a SO3. Calcular la composición de los gases que entraron y que abandonan el convertidor. SO2 3 5 SO3 1 2 4

35. Aire 100% exceso Convertidor 95% Horno SO2 3 SO3 5 S+O2 = SO2 1 2SO2+O2 = 2SO3 2 4 4 Fe+3O2 = 2Fe2O3 Pirita 40% Fe 43,6% S Composición del aire: v/v = 21% O2; 79% N2 p/p = 23,3% O2; 76,7% N2 Fe2O3 Base de cálculo: 100 kg de pirita. Entrada al horno: Fe que entra en el horno 40 kg = 40/55,85 kmoles= 0,715 kmoles S que entra en el horno 43,6 kg = 43,6/32 = 1,362 kmoles O2 necesario (para la formación de Fe2O3) = (0,715)(3)/4 = 0,566 kmoles O2 necesario (para la formación de SO2) = 1,362 kmoles O2 total necesario = 1,362 + 0,5363 = 1,898 kmoles O2 que entra en el aire (1,898)(32) = (43,584 kg)(2) = 87,168 kg/32 = 2,724 kmol N2que entra en el aire (87,168)(76,7)/23,3 = 286,943 kg/28 = 10,248 kmol

36. 2,724 kmol O2 10,248 kmol N2 Horno SO2 3 S+O2 = SO2 1 2 4 4 Fe+3O2 = 2Fe2O3 0,717 kmol Fe 1,362 kmol S Fe2O3 Salida del horno: SO2 formado en el horno = 1,362 kmoles O2 que sale del horno (sin reaccionar) = 0,826 kmoles N2 que sale del horno = 10,248 kmoles Total de gases que salen del horno = 12,436 kmoles Composición de los gases que entran en el convertidor: XSO2 = 1,362/12,436 = 0,1095 = 10,95% XO2 = 0,826/12,436 = 0,0664 = 6,64% XN2 = 10,248/12,436 = 0,8241 = 82,41%

37. Convertidor 95% 3 5 1,362 kmol SO2 0,826 kmol O2 10,248 kmol N2 1,294 kmol SO3 0,0681 kmol SO2 0,179 kmol O2 10,248 kmol N2 2SO2+O2 = 2SO3 Gases que salen del convertidor: SO3 formado en el convertidor (0,95)(1,362) = 1,294 kmoles SO2 sin reaccionar = (0,05)(1,362) = 0,0681 kmoles O2consumido en el convertidor = (1,362)(0,95)/2 = 0,647 kmoles O2 sin reaccionar = 0,826 – 0,647 = 0,179 kmoles N2que pasa por el convertidor = 10,248 kmoles Total de gases que salen del convertidor = 11,789 kmol Composición de los gases que salen del convertidor: XSO3= 1,294/11,789 = 0,1098 = 10,98% XSO2= 0,0681/11,789 = 0,0078 = 0,78% XO2= 0,179/11,789 = 0,0152 = 1,52% XN2= 10,248/11,789 = 0,8693 = 86,93%

38. 4. 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 CO2, calcular la velocidad de flujo de aire. Contenido de CO2 en el aire = 0,03%. 5. 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

39. 6. 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. CH4+2O2 → CO2+2H2O C2H6+(3/2)O2 → 2CO2+3H2O 7. En la manufactura de cloruro de vinilo (CV) 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 CV. C2H4Cl2→ C2H3Cl + HCl

40. WEBGRAFIA http://www3.uclm.es/profesorado/giq/contenido/fund_quimicos/Tema_4.pdf http://www3.uclm.es/profesorado/giq/contenido/fund_quimicos/Tema_2.pdf http://blog.utp.edu.co/balances/files/2011/01/BMSINREACCI%C3%93N.pdf http://es.slideshare.net/daveteslandaz/ejemplos-resueltos-balances-de-masa-y-energa