Balance de Masa

FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES

Profesor: Danny Guzmán Mé[email protected] de

MetalurgiaClase 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:

MEZCLADOR EVAPORADOR1000 Kg/h FRUTA

14% MASA SS

1220 Kg/h AZUCAR

100% MASA SS

2,5 Kg/h PECTINA

100% MASA SS

M1

X% SS

M2 AGUA

M3 FRUTA67% SS

M1=1220+1000+2,5xM1=1220+2,5+1000*0,14

M1=M2+M3XM1=0,67M3

M1= 2222,5 Kg/hx= 61,3 % SSM2= 188,9 Kg/hM3= 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.

ProcesoEntrada Salida

Flujo de derivación

1. BALANCE DE MASA.

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).

Balance proceso con derivación o bypass:

1. BALANCE DE MASA.

EVAP


1.- Trace un diagrama simple del proceso

100 Kg/h12% masa

M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

1. BALANCE DE MASA.

EVAP


100 Kg/h12% masa

M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

2.- Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay

1. BALANCE DE MASA.

EVAP


100 Kg/h12% masa

M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

3.- Seleccione una base para el cálculoBase: 100 Kg/h

1. BALANCE DE MASA.

EVAP


100 Kg/h12% masa

M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan

Variables: M1, M2, M3, M4 y M5

100 = M1 + M2M1 = M3+M40,12M1=0,58M4M4+M2=M50,58M4+0,12M2=0,42M5

1. BALANCE DE MASA.

EVAP


100 Kg/h12% masa

M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

M1 =90,06M2= 9,94M3=71,43M4=18,63M5=28,57

5.- Proceda al balance de masa

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 ?

4).- ¿Cuántos gramos de O2 se necesitan para formar 400 g H2O ?3).- ¿Cuál es la relación estequiométrica entre el H2O y O2?

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..

esteq

esteqentaciónlima

nA

nA-nAnAexcesoenFracción =

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.

25,040

40-50HexcesoenFracción 2 ==

1 Mol C2H2 => 2 Mol H2

20 KMol C2H2 => 50 KMol H2

1. BALANCE DE MASA.

Procesos con reacciones químicas:

Grado de Avance:

Las reacciones químicas no se llevan a cabo de manera instantánea y a menudo proceden con bastante lentitud.

salimentadoMoles reaccionan queMoles

avancedeGrado =

C2H2 + 2H2+=> C2H6

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

REACTOR100 mol/min

0,1 mol/min C3H6

0,12 mol/min NH3

0,78 mol/min aire

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 C3H3NnH2O mol/min H2O


REACTOR100 mol/min

0,1 mol/min C3H6

0,12 mol/min NH3

0,78 mol/min aire

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 C3H3NnH2O mol/min H2O1. Determinación reactivo

limitante:

-C3H6 y NH3:

1 mol C3H6 => 1 mol NH3

0,1 mol C3H3 => 0,12 mol NH3

C3H6 limitanteNH3 exceso


REACTOR100 mol/min

0,1 mol/min C3H6

0,12 mol/min NH3

0,78 mol/min aire

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 C3H3NnH2O mol/min H2O1.- Determinación reactivo

limitante:

-C3H6 y O2:

1 mol C3H6 => 1,5 mol NH3

0,1 mol C3H3 => 16,4 mol NH3

C3H6 limitante


REACTOR100 mol/min

10 mol/min C3H6

12 mol/min NH3

78 mol/min aire

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 C3H3NnH2O mol/min H2ODeterminación fracción en

exceso NH3:

-NH3 esteq:

1 mol NH3 => 1 mol C3H6

X mol NH3 => 10 mol C3H6

10 moles NH3

esteq

esteqentaciónlima

nA


FE NH3=2/10=0,2


REACTOR100 mol/min

10 mol/min C3H6

12 mol/min NH3

78 mol/min aire

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 C3H3NnH2O mol/min H2ODeterminación fracción en

exceso O2:

-O2 esteq:

1,5 mol O2 => 1 mol C3H6

X mol O2 => 10 mol C3H6

15 moles O2

esteq

esteqentaciónlima

nA


FE NH3=1,4/15=0,093


REACTOR100 mol/min

10 mol/min C3H6

12 mol/min NH3

78 mol/min aire

16,4 mol/min O2

61,6 mol/min N2

Balance en base reactivo limitante:

M

nC3H6 = nC3H6’ - xnNH3 = nNH3’ - xnO2 = nO2’ – 3/2xnN2 = nN2’nC3H3N = nC3H3N’ + xnH2O = nH2O’ + 3x


REACTOR100 mol/min

10 mol/min C3H6

12 mol/min NH3

78 mol/min aire

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’ - xnNH3 = nNH3’ - xnO2 = nO2’ – 3/2xnN2 = nN2’nC3H3N = nC3H3N’ + xnH2O = nH2O’ + 3x


REACTOR100 mol/min

10 mol/min C3H6

12 mol/min NH3

78 mol/min aire

16,4 mol/min O2

61,6 mol/min N2

101,5 moles/min

nC3H6 = 7 mol/minnNH3 = 9 mol/minnO2 = 11,9 mol/minnN2 = 61,6 mol/minnC3H3N = 3 mol/minnH2O = 9 mol/minComo sólo se consume un 30% del C3H6

tenemos:

x=0,3*10=3 mol/min

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