FUNDAMENTOS DE LOS
PROCESOS INDUSTRIALES
Profesor:
Danny Guzmán Méndez
[email protected]
Departamento de Metalurgia
Clase 3.
1. BALANCE DE MASA.
Ejercicios Resolución en Clases
En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene
14% en peso de sólidos solubles, se mezcla con azúcar (1,22 Kg
Azúcar/1,00 Kg fruta) y pectina (0,0025 Kg pectina/1,00 kg
fruta). Considere el azúcar y pectina como sólidos solubles. La
mezcla resultante pasa a un evaporador para producir una
jalea con 67% en peso de sólido soluble. Calcule, para una
alimentación de 1000 Kg/h de fruta macerada, los Kg/h de
mezcla obtenida, los Kg/h de agua evaporada y los Kg/h de
jalea producida.
1. BALANCE DE MASA.
Resolución:
1000 Kg/h FRUTA
M2 AGUA
14% MASA SS
100% MASA SS
MEZCLADOR
1220 Kg/h
AZUCAR
2,5 Kg/h PECTINA
100% MASA SS
M1
X% SS
EVAPORADOR
M1=1220+1000+2,5
xM1=1220+2,5+1000*0,14
M1=M2+M3
XM1=0,67M3
M3 FRUTA
67% SS
M1= 2222,5 Kg/h
x= 61,3 % SS
M2= 188,9 Kg/h
M3= 2033,6 Kg/h
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con bypass o derivación:
Un bypass o derivación se produce cuando una parte de la
alimentación de un proceso se desvía, rodeándolo, para
juntarse con el producto del mismo proceso.
Entrada
Proceso
Flujo de derivación
Salida
1. BALANCE DE MASA.
Balance proceso con derivación o bypass:
El jugo de naranja fresco contiene 12,0% en masa de sólidos y el resto es
agua, y el jugo de naranja concentrado contiene 42,0% en masa de sólidos. Al
principio se usaba un solo proceso de evaporación para concentrarlo, pero los
constituyentes volátiles del jugo escapaban con el agua, y el concentrado
perdía sabor. El proceso actual resuelve este problema derivando (bypass) una
fracción del jugo fresco. El jugo que entra al evaporador se concentra hasta 58
% de sólido y se mezcla con la corriente derivada de jugo fresco hasta lograr
la concentración deseada. Estime la cantidad de producto (concentrado al
42%) obtenido por cada 100 kg/h de jugo fresco alimentado al proceso y la
fracción de alimentación que se desvía del evaporador. (ignore cualquier
evaporación del jugo que no sea agua).
1. BALANCE DE MASA.
Balance proceso con derivación o bypass:
1.- Trace un diagrama simple del proceso
M3 Kg/h
AGUA
100 Kg/h
12% masa
M1 Kg/h
12% masa
EVAP
M2 Kg/h
12% masa
M4 Kg/h M5 Kg/h
58% masa 42% masa
1. BALANCE DE MASA.
Balance proceso con derivación o bypass:
2.- Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay
M3 Kg/h
AGUA
100 Kg/h
12% masa
M1 Kg/h
12% masa
EVAP
M2 Kg/h
12% masa
M4 Kg/h M5 Kg/h
58% masa 42% masa
1. BALANCE DE MASA.
Balance proceso con derivación o bypass:
3.- Seleccione una base para el cálculo
Base: 100 Kg/h
M3 Kg/h
AGUA
100 Kg/h
12% masa
M1 Kg/h
12% masa
EVAP
M2 Kg/h
12% masa
M4 Kg/h M5 Kg/h
58% masa 42% masa
1. BALANCE DE MASA.
Balance proceso con derivación o bypass:
4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan
M3 Kg/h
AGUA
100 Kg/h
12% masa
M1 Kg/h
12% masa
EVAP
M2 Kg/h
12% masa
Variables: M1, M2, M3, M4 y M5
M4 Kg/h M5 Kg/h
58% masa 42% masa
100 = M1 + M2
M1 = M3+M4
0,12M1=0,58M4
M4+M2=M5
0,58M4+0,12M2=0,42M5
1. BALANCE DE MASA.
Balance proceso con derivación o bypass:
5.- Proceda al balance de masa
M3 Kg/h
AGUA
100 Kg/h
12% masa
M1 Kg/h
12% masa
EVAP
M2 Kg/h
12% masa
M4 Kg/h M5 Kg/h
58% masa 42% masa
M1 =90,06
M2= 9,94
M3=71,43
M4=18,63
M5=28,57
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
Cuando se lleva a cabo una reacción química dentro de un
proceso, se complican los procedimientos de balance de
materia.
La ecuación estequiométrica de la reacción impone
restricciones sobre las cantidades relativas de reactivos y
productos en las corrientes de entrada y salida.
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C4H8 + 6O2+=> 4CO2+4H2O
1).- ¿Qué es un mol?
2).- ¿Esta balanceada la ecuación ?
3).- ¿Cuál es la relación estequiométrica entre el H2O y O2?
4).- ¿Cuántos gramos de O2 se necesitan para formar 400 g H2O ?
5).- Se alimentan 20 g/min C4H8 y 50% reaccionan, ¿Cuál es la
velocidad de formación del H2O?
1. BALANCE DE MASA.
Reactivos en exceso y limitantes:
El reactivo que se agota cuando una reacción procede hasta
completarse se llama reactivo limitante, y los demás reactivos
se llaman reactivos en exceso.
La fracción en exceso de un reactivo es la relación entre el
exceso y el requerimiento estequiométrico..
Fracción en exceso nA =
nA a lim entación - nA esteq
nA esteq
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C2H2 + 2H2=> C2H6
Reactivo en exceso y limitante:
Se alimentan 520 Kg de C2H2 y 100 Kg de H2. Determine cual
de estos reactivos en el reactivo en exceso, su correspondiente
fracción en exceso.
1 Mol C2H2 => 2 Mol H2
20 KMol C2H2 => 50 KMol H2
Fracción
en exceso H 2 =
50 - 40
40
= 0 ,25
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C2H2 + 2H2+=> C2H6
Grado de Avance:
Las reacciones químicas no se llevan a cabo de manera
instantánea y a menudo proceden con bastante lentitud.
Grado de avance =
Moles que reaccionan
Moles alimentado s
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
Supóngase que se carga un reactor con 20 Kmol de C2H2, 50
Kmol de H2 y 50 Kmol de C2H6. Más aún, suponga que
transcurrido cierto tiempo han reaccionado 30,0 Kmol de H2
¿Qué cantidades de cada especie habrá en el reactor en ese
instante?
C2H2 + 2H2=> C2H6
X = moles de H2 reaccionados
nH2= 50 – x
nC2H2=20-(x/2)
nC2H6=50+(x/2)
nH2= 20 Kmol
nC2H2=5 Kmol
nC2H6=65 Kmol
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
La reacción de propileno con amoniaco y oxígeno produce
acrilonitrilo:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
La alimentación contiene 10 mol % de C3H6, 12 % de NH3 y
78% Aire. Se logra una fracción de conversión del 30% del
reactivo limitante. Tomando 100 mol/min de alimentación
como base, determine cuál es el reactivo limitante, el % en
exceso de todos los constituyentes gaseosos producidos en una
conversión del 30 % del reactivo limitante.
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
100 mol/min
0,1 mol/min C3H6
0,12 mol/min NH3
0,78 mol/min aire
REACTOR
16,4 mol/min O2
61,6 mol/min N2
M mol/min
nC3H6 mol/min C3H6
nNH3 mol/min NH3
nO2 mol/min O2
nN2 mol min N2
nC3H3N mol/min C3H3N
nH2O mol/min H2O
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
100 mol/min
0,1 mol/min C3H6
0,12 mol/min NH3
0,78 mol/min aire
REACTOR
16,4 mol/min O2
61,6 mol/min N2
1. Determinación reactivo limitante:
-C3H6 y NH3:
1 mol C3H6 => 1 mol NH3
0,1 mol C3H3 => 0,12 mol NH3
C3H6 limitante
NH3 exceso
M mol/min
nC3H6 mol/min C3H6
nNH3 mol/min NH3
nO2 mol/min O2
nN2 mol min N2
nC3H3N mol/min C3H3N
nH2O mol/min H2O
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
100 mol/min
0,1 mol/min C3H6
0,12 mol/min NH3
0,78 mol/min aire
REACTOR
16,4 mol/min O2
61,6 mol/min N2
1.- Determinación reactivo limitante:
-C3H6 y O2:
1 mol C3H6 => 1,5 mol NH3
0,1 mol C3H3 => 16,4 mol NH3
C3H6 limitante
M mol/min
nC3H6 mol/min C3H6
nNH3 mol/min NH3
nO2 mol/min O2
nN2 mol min N2
nC3H3N mol/min C3H3N
nH2O mol/min H2O
1. BALANCE DE MASA.
Fracción en exceso nA =
nA a lim entación - nA esteq
nA esteq
Procesos con reacciones químicas:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
100 mol/min
10 mol/min C3H6
12 mol/min NH3
78 mol/min aire
REACTOR
16,4 mol/min O2
61,6 mol/min N2
Determinación fracción en exceso NH3:
M mol/min
nC3H6 mol/min C3H6
nNH3 mol/min NH3
nO2 mol/min O2
nN2 mol min N2
nC3H3N mol/min C3H3N
nH2O mol/min H2O
-NH3 esteq:
1 mol NH3 => 1 mol C3H6
X mol NH3 => 10 mol C3H6
10 moles NH3
FE NH3=2/10=0,2
1. BALANCE DE MASA.
Fracción en exceso nA =
nA a lim entación - nA esteq
nA esteq
Procesos con reacciones químicas:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
100 mol/min
10 mol/min C3H6
12 mol/min NH3
78 mol/min aire
REACTOR
16,4 mol/min O2
61,6 mol/min N2
Determinación fracción en exceso O2:
M mol/min
nC3H6 mol/min C3H6
nNH3 mol/min NH3
nO2 mol/min O2
nN2 mol min N2
nC3H3N mol/min C3H3N
nH2O mol/min H2O
-O2 esteq:
1,5 mol O2 => 1 mol C3H6
X mol O2 => 10 mol C3H6
15 moles O2
FE NH3=1,4/15=0,093
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
100 mol/min
10 mol/min C3H6
12 mol/min NH3
78 mol/min aire
REACTOR
16,4 mol/min O2
61,6 mol/min N2
Balance en base reactivo limitante:
M
nC3H6 = nC3H6’ - x
nNH3 = nNH3’ - x
nO2 = nO2’ – 3/2x
nN2 = nN2’
nC3H3N = nC3H3N’ + x
nH2O = nH2O’ + 3x
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
100 mol/min
10 mol/min C3H6
12 mol/min NH3
78 mol/min aire
REACTOR
16,4 mol/min O2
61,6 mol/min N2
Como sólo se consume un 30% del C3H6 tenemos:
XC3H6=0,3*10=3 mol/min
M
nC3H6 = nC3H6’ - x
nNH3 = nNH3’ - x
nO2 = nO2’ – 3/2x
nN2 = nN2’
nC3H3N = nC3H3N’ + x
nH2O = nH2O’ + 3x
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O
100 mol/min
10 mol/min C3H6
12 mol/min NH3
78 mol/min aire
REACTOR
16,4 mol/min O2
61,6 mol/min N2
Como sólo se consume un 30% del C3H6 tenemos:
x=0,3*10=3 mol/min
101,5 moles/min
nC3H6 = 7 mol/min
nNH3 = 9 mol/min
nO2 = 11,9 mol/min
nN2 = 61,6 mol/min
nC3H3N = 3 mol/min
nH2O = 9 mol/min
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