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FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES

FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES. Profesor: Danny Guzmán Méndez danny.guzman@uda.cl Departamento de Metalurgia Clase 3. 1. BALANCE DE MASA. Ejercicios Resolución en Clases

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FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES

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  1. FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES Profesor: Danny Guzmán Méndez danny.guzman@uda.cl Departamento de Metalurgia Clase 3.

  2. 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.

  3. 1. BALANCE DE MASA. Resolución: 1000 Kg/h FRUTA 14% MASA SS M2 AGUA 1220 Kg/h AZUCAR 100% MASA SS MEZCLADOR M1 X% SS EVAPORADOR M3 FRUTA 67% SS M1= 2222,5 Kg/h x= 61,3 % SS M2= 188,9 Kg/h M3= 2033,6 Kg/h 2,5 Kg/h PECTINA 100% MASA SS M1=1220+1000+2,5 xM1=1220+2,5+1000*0,14 M1=M2+M3 XM1=0,67M3

  4. 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 Salida Flujo de derivación

  5. 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).

  6. 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 M4 Kg/h 58% masa M5 Kg/h 42% masa EVAP M2 Kg/h 12% masa

  7. 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 M4 Kg/h 58% masa M5 Kg/h 42% masa EVAP M2 Kg/h 12% masa

  8. 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 M4 Kg/h 58% masa M5 Kg/h 42% masa EVAP M2 Kg/h 12% masa

  9. 1. BALANCE DE MASA. Balance proceso con derivación o bypass: 4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan M3 Kg/h AGUA Variables: M1, M2, M3, M4 y M5 100 Kg/h 12% masa M1 Kg/h 12% masa M4 Kg/h 58% masa M5 Kg/h 42% masa EVAP 100 = M1 + M2 M1 = M3+M4 0,12M1=0,58M4 M4+M2=M5 0,58M4+0,12M2=0,42M5 M2 Kg/h 12% masa

  10. 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 M4 Kg/h 58% masa M5 Kg/h 42% masa EVAP M1 =90,06 M2= 9,94 M3=71,43 M4=18,63 M5=28,57 M2 Kg/h 12% masa

  11. 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.

  12. 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?

  13. 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..

  14. 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

  15. 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.

  16. 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

  17. 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.

  18. 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 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 16,4 mol/min O2 61,6 mol/min N2

  19. 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 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 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

  20. 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 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 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

  21. 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 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 16,4 mol/min O2 61,6 mol/min N2 • Determinación fracción en exceso NH3: • NH3esteq: • 1 mol NH3 => 1 mol C3H6 • X mol NH3 => 10 mol C3H6 10 moles NH3 FE NH3=2/10=0,2

  22. 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 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 16,4 mol/min O2 61,6 mol/min N2 • Determinación fracción en exceso O2: • O2esteq: • 1,5 mol O2 => 1 mol C3H6 • X mol O2 => 10 mol C3H6 15 moles O2 FE NH3=1,4/15=0,093

  23. 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 M nC3H6 = nC3H6’- x nNH3 =nNH3’ - x nO2 = nO2’ – 3/2x nN2 = nN2’ nC3H3N = nC3H3N’ + x nH2O = nH2O’ + 3x 16,4 mol/min O2 61,6 mol/min N2 Balance en base reactivo limitante:

  24. 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 M nC3H6 = nC3H6’- x nNH3 =nNH3’ - x nO2 = nO2’ – 3/2x nN2 = nN2’ nC3H3N = nC3H3N’ + x nH2O = nH2O’ + 3x 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

  25. 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 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 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

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