Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 72

 Una reacción muy conocida para generar hidrógeno a partir de vapor de agua es la llamada reacción de desplazamiento de gas de agua: CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂. Si la alimentación gaseosa al reactor consiste en 30 moles de CO, 12 moles de CO₂ y 35 moles de vapor de agua por hora a 8OO°C, y se producen 18 moles de H₂ por hora, calcule

a) el reactivo limitante.

b) el reactivo en exceso.

c) la fracción de conversión de vapor de agua a H₂.

d) el grado de conversión de la reacción.

e) los kg de H₂ producidos por kg de vapor de agua alimentado.

f) los moles de CO₂ producidos en la reacción por mol de CO alimentado.

Respuesta

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 71

 En un proceso para fabricar cloro por oxidación directa de HCl con aire sobre un catalizador para formar Cl, y H₂O (únicamente), el producto de salida se compone de HCl(4.4%), Cl, (19.8%), H₂O (19.8%), 0, (4.0%) y N₂, (52.0%). ¿Cuál fue

a) el reactivo limitante?

b) el porcentaje de reactivo en exceso?

c) el grado de conversión de la reacción?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 70

 El sulfato de amonio se usa como fertilizante. Un método de fabricación del compuesto se basa en la siguiente secuencia de reacciones en agua

2NH₃ + H₂O + CO₂ → (NH₄)₂CO₃

(NH₄)₂CO₃ + CaSO₄  → (NH₄)₂SO₄  + CaCO₃

Después de que tiene lugar la reacción, la suspensión acuosa se filtra. El análisis revela los siguientes porcentajes en peso: Filtrado: 0.5% NH₄)₂CO₃, 5.5% (NH₄)₂SO₄, 94.0% H₂O y Sólidos: 8.2% CaSO₄, 91.8% CaCO₃. Para el proceso global, calcule:

a) el reactivo limitante.

b) el grado de conversión.

c) el porcentaje de reactivo en exceso.

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 69

 En el proceso de la pulpa por el método del sulfato, el licor de cocción alcalino se produce por las reacciones:

Na₂SO₄ + 4C → Na₂S + 4CO

Na₂S + CaO + H₂O → NaOH + CaS

Después de ocurrir la primera reacción, el sulfuro de sodio se extrae por lixiviación de la masa y la disolución se trata con cal viva (CaO) en forma de suspensión de lechada de cal, de modo que en realidad el reactivo es Ca(OH)₂ El precipitado de CaS y Ca(OH)₂ sin reaccionar se lava durante el filtrado y se retira. Se ha encontrado que se forman 12.7 Ib de precipitado por cada 100 Ib de licor de cocción preparadas. El análisis del precipitado es CaS: 70.7%, Ca(OH)₂: 23.4% y CaCO₃: 5.9%, este último presente como impureza en la cal empleada. El análisis del licor de cocción es NaOH: lO.O%, Na₂S: 2.0% y H₂O: 88.0%.

Calcule: 

a) el porcentaje de exceso de cal usado.

b) el porcentaje de conversión de la reacción.

c) la composición de la cal empleada.

Respuestas

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 68

 Un método común para la fabricación de blanqueador de hipoclorito de sodio es la reacción

Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaOCl + H₂O

El cloro gaseoso se burbujea por una disolución acuosa de hidróxido de sodio, después de lo cual el producto deseado se separa del cloruro de sodio (un producto secundario de la reacción). Una disolución de NaOH en agua que contiene 1145 Ib de NaOH puro se hace reaccionar con 85 1 Ib de cloro gaseoso. El NaOCl formado pesa 618 lb.

a) ¿Cuál fue el reactivo limitante?

b) ¿Cuál fue el porcentaje de exceso del reactivo en exceso empleado?

c) ¿Cuál fue el grado de conversión de la reacción, expresado como la razón de los moles de NaOCl formados y los moles que se habrían formado si la reacción hubiera llegado a su término?

d) ¿Cuál es el rendimiento de NaOCl respecto a la cantidad de cloro usada (sobre una base de porcentaje)?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 67

 Desde un punto de vista simplista, un alto horno puede verse como un proceso en el que la reacción principal es

Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO

aunque ocurren otras reacciones secundarias indeseables, principalmente

                                                    Fe₂O₃ + C → 2FeO + CO

 Después de mezclar 600.0 Ib de carbón (coque) con 1.00 tonelada de óxido de hierro puro (Fe₂O₃), el proceso produce 1200.0 Ib de hierro puro, 183 Ib de FeO y 85.0 Ib de Fe₂O₃.

Calcule lo siguiente:

a) El porcentaje de carbono en exceso suministrado, con base en la reacción principal

b) El porcentaje de conversión de Fe₂O₃ a Fe

c) Las libras de carbón consumidas y las libras de CO producidas por tonelada de Fe₂O₃ cargada

d) La selectividad de este proceso (de Fe respecto a FeO)

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 66

 El método de tratamiento de aguas residuales domésticas mas económico es la digestión bacteriana. Como paso intermedio en la conversión de nitrógeno orgánico a nitratos, se informa que las bacterias Nitrosomonas metabolizan compuestos de amonio para producir biomasa y expulsan nitritos como subproducto mediante la siguiente reaccion global:

5CO₂ + 55NH₄ + 76O₂ → C₅H₇O₂N (biomasa) + 54NO₂ + 52H₂O+ 109H⁺

Si 20,000 kg de aguas residuales que contienen 5% en peso de iones amonio fluyenpor un tanque séptico inoculado con las bacterias, ¿cuántos kilogramos de biomasa se producirán, suponiendo que se consume el 95% del NH₄⁺?

Respuesta

108,4 kg

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 65

 Un método para sintetizar el sustituto de la aspirina, acetaminofén, implica un proceso de tres pasos como se bosqueja en la figura P1.119. Primero, el p-nitrofenol se hidrogena catalíticamente en presencia de ácido clorhídrico acuoso con el clorhidrato dep-aminofenol con un grado de terminación del 86.9%. Luego, la sal se neutraliza para obtenerp-aminofenol con una conversión fraccionaria de 0.95. 

con una conversión fraccionaria de 0.95.

Por último, el p-aminofenol se acetila por reacción con anhídrido acético, con un rendimiento de 3 kg mol de acetaminofén por cada 4 kg mol. ¿Cuál es la conversión fraccionaria global de p-nitrofenol a acetaminofén?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 64

 En la industria de los semiconductores, la producción de circuitos integrados (IC) comienza con el corte mecánico de barras de silicio para obtener obleas. Una vez cortadas éstas, se pulen para obtener superficies planas uniformes. A continuación, los contaminantes y los defectos microscópicos (daños de trabajo) se eliminan mediante un baño químico (grabado). Una disolución de grabado tradicional consiste en una relación volumétrica 4: 1: 3 de ácido fluorhídrico al 49%, ácido nítrico al 70% y ácido acético al lOO%, respectivamente. Aunque los daños de trabajo por lo regular no tienen más de 10 mm de profundidad, es común sobregrabar hasta una profundidad de 20 mm por lado. La reacción de disolución de la superficie de silicio es:

3Si + 4HN0₃ + 18HF + 3H₂SiF₆ + 4N0 + 8H₂O

Calcule la velocidad de flujo de la disolución de grabado en kilogramos por hora si cada hora hay que grabar 6000 obleas de 150 mm de diarnetro hasta una profundidad de 20 mm.

¿Cuál es el reactivo limitante?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 63

 La calcinación de piedra caliza, CaCO₃ → CaO + CO₂, solo se efectúa al 70% de conversión en cierto horno.

a) ¿Qué composición (% en masa) tiene el sólido que se extrae del horno?

b) ¿Cuántos kilogramos de CO₂, se producen por cada kilogramo de piedra caliza alimentada? Suponga que la piedra caliza es CaCO₃ , puro.

Respuesta

a) 43.2% CaCO₃; b) 0.305 Kg CO₂

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 62

 En una fábrica de papel se puede agregar soda (Na₂CO₃) directamente durante el proceso de caustificación para formar, mediante reacción con hidróxido de calcio, sosa cáustica (NaOH) para formar la pulpa. La reacción global es Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → 2NaOH + CaCO₃. La soda también puede ser útil para la producción in situ de carbonato de calcio precipitado que se usa como sellador del papel. Los cloruros que contiene la soda (que causan corrosión del equipo) tienen una concentración 40 veces menor que en la sosa cáustica (NaOH) de grado ordinario que también podría usarse, de ahí que la soda sea mas apropiada para las fábricas de pulpa. Sin embargo, un impedimento importante para efectuar el cambio a soda es la necesidad de contar con una capacidad de caustiflcación en exceso, cosa que generalmente no es posible en las fábricas más antiguas.

Hay una competencia intensa entre la soda y la sosa cáustica producida por electrólisis. El precio promedio de la sosa cáustica ascienden a unos $265 por tonelada métrica L.A.B. (libre a bordo, es decir, sin tener que pagar por la entrega al transportista ni la carga en el transporte), en tanto que los precios de la soda oscilan alrededor de $130/tonelada métrica L.A.B.

¿Qué tanto tendrían que bajar los precios de la sosa cáustica para igualar el precio de % 130/tonelada métrica con base en una cantidad equivalente de NaOH?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 61

 Los olores de las aguas negras se deben principalmente a los productos de la reducción anaerobia de compuestos orgánicos que contienen nitrógeno y azufre. El sulfuro de hidrógeno es un componente importante de los olores de las aguas negras, pero de ninguna manera es el único productor de olores, ya que pueden percibirse olores potentes en su ausencia. Se puede usar la oxidación en aire para eliminar los olores, pero el cloro es el tratamiento preferido porque no sólo destruye el H₂S, y otros compuestos olorosos, sino que también inhibe las bacterias que producen esos compuestos. Como ejemplo específico, el HOCI reacciona con H₂S en disoluciones de pH bajo como sigue:

HOCl + H₂S → S + HCl + H₂S

Si en la práctica real se prescribe un exceso de 100% de HOCl (a fin de garantizar la destrucción del H₂S, en vista de que el HOCl también reacciona con otras sustancias), ¿cuánto HOCI (disolución al 5%) se deberá agregar a 1 L de una disolución que contiene 50 ppm de H₂S?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 60

 Para que ocurra un incendio es preciso satisfacer tres criterios: 1) debe haber un combustible presente; 2) debe haber un oxidante presente; y 3) debe haber una fuente de ignición. Con la mayor parte de los combustibles, la combustión tiene lugar solo en la fase gaseosa. Por ejemplo, la gasolina líquida no arde; en cambio, cuando se vaporiza, arde fácilmente.

Para que un combustible arda en aire, debe estar presente por lo menos en cierta concentración mínima. Si la concentración del combustible es menor que este límite inflamable inferior (LFL, lower flammable limit), no habrá ignición. El LFL se puede expresar como un porcentaje en volumen, que sera igual al porcentaje molar en las condiciones en que se mide el LFL (presibn atmosférica y 25°C). También se requiere cierta concentración míniun porcentaje en volumen, que será igual al porcentaje molar en las condiciones en que se mide el LFL (presión atmosférica y 25°C). También se requiere cierta concentración mínima de oxígeno para la combustión, la cual esta íntimamente relacionada con el LFL y se puede calcular a partir de éste. La concentración mínima de oxígeno requerida para la ignición se puede estimar multiplicando la concentración LFL por la razón entre el numero de moles de oxígeno requeridos para una combustión completa y el número de moles de combustible quemado.

Por encima del LFL, la cantidad de energía requerida para la ignición es muy pequeña. Por ejemplo, una chispa puede encender con facilidad la mayor parte de las mezclas inflamables. También existe una concentración de combustible denominada límite inflamable superior (UFL, upperjlammable limit) por encima del cual la mezcla combustible-aire no puede encenderse. Las mezclas combustible-aire que están dentro de la región de concentración inflamable (entre el LFL y el UFL) sí pueden encenderse. Se han determinado tanto el LFL como el UFL para la mayor parte de los gases y líquidos volátiles inflamables comunes. Por lo regular, el LFL es la más importante de las concentraciones de inflamabilidad porque si un combustible está presente en la atmósfera en concentraciones por encima del UFL, ciertamente estará presente en concentraciones dentro del intervalo de inflamabilidad en algún lugar cercano. Las concentraciones LFL de muchos materiales pueden consultarse en la norma NFPA 325m, “Propiedades de líquidos inflamables”, publicada por la National Fire Protection Association.

Estime la concentración máxima permisible de oxígeno para n-butano. La concentración LFL para este gas es 1.9 moles por ciento. Este problema se basó originalmente en un problema del texto Chemical Process Safety: Fundamentals with Applications, de D. A. Crowl y J. F. Louvar, publicado por Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, y se adaptó del problema 10 de la publicación de la AIChE Safety, Health and Loss Prevention in Chemical Processes, de J. R. Welker y C. Springer, Nueva York (1990).

RESPUESTA: 12,4%

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 59

EVALUACIGN DE PROPUESTA

A: J. Coadwell DEPTO.:Aaras newas FECHA, 9-29

INVITACIÓN DE PROPUESTA: 0374x

REQUISICIÓN: 135949 ARTfCULO: Sulfato ferroso

COMENTARIOS DE EVALUACIGN DEL DEPARTAMENTO

Se recomienda aceptar la propuesta de VWR de $83,766.25 por 475 toneladas de

sulfato ferroso heptahidratado, ya que fue el precio mas bajo pedido por este producto.

Ademas, se recomienda mantener la opcibn de entrega de este producto ya sea por

ferrocarril en cargas de furgón estándar de 50 toneladas o bien por el método altemativo

de remolques de camión cargados en plataformas de ferrocarril.

¿Cuál tendría que ser la cotización de otra empresa para igualar la propuesta de VWR si la

cotización que presentara fuera por sulfato ferroso (FeSO₄*H₂O)? ¿Y por (FeSO₄ *4H₂O)?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 58

 1.112. El papel fabricado con pulpa de madera envejece y se deteriora debido a los residuos ácidos que deja el proceso de fabricación. Con el fin de neutralizar el papel, un tratamiento en fase de vapor necesita un compuesto lo bastante volátil como para permear la estructura fibrosa del papel dentro de una masa de libros pero que tenga una química susceptible de ser manipulada para producir un compuesto ligeramente básico y muy poco volátil. George Kelly y John Williams lograron este objetivo en 1976 al diseñar un proceso de desacidificación en masa empleando dietil cinc (DEZ) gaseoso.

El dietil cinc es un líquido incoloro que hierve a 117°C. Cuando se combina con oxígeno, tiene lugar una reacción muy exotérmica:

Como el DEZ líquido se enciende espontáneamente al exponerse al aire, una precaución primordial al usarlo es la exclusibn del aire. En una ocasión, un incendio causado por el DEZ destruyó el centro de neutralización.

¿Está balanceada la ecuacibn que se muestra? Si no es así, balancéela. ¿Cuántos kg de DEZ deben reaccionar para formar 1.5 kg de ZnO? Si se forman 20 cm3 de agua en la reacción, y ésta fue completa, cuantos gramos de DEZ reaccionaron?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 57

 1.111. El agua de mar contiene 65 ppm de bromo en forma de bromuros. En el proceso de recuperación Ethyl-Dow, se agregan 0.27 Ib de ácido sulfiírico al 98% a cada tonelada de agua, junto con el Cl, teórico para efectuar la oxidación; por último, se combina etileno (C₂H₄) con el bromo para formar C₂H₄Br₂. Suponiendo una recuperación completa y utilizando como base de cálculo 1 Ib de bromo, calcule los pesos de ácido, cloro, agua de mar y dibromuro que intervienen en el proceso.  

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 56

 1.110. El ácido sulfúrico se puede fabricar por el proceso de contacto de acuerdo con las siguientes reacciones:

Como parte del diseño preliminar de una planta de ácido sulfürico con una capacidad diseñada de 2000 ton/día con 66° Be (Baumé) (93.2% en peso de H₂SO₄), usted debe calcular lo siguiente:

a ) LCuántas toneladas de azufre puro se requieren al día para operar esta planta?

b) ~Cuántas toneladas de oxígeno se requieren por día?

c ) ¿Cuántas toneladas de agua se necesitan al día para la reacción (3)?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 55

 1.109. Se ha logrado eliminar el CO, de una nave espacial tripulada mediante absorción con hidróxido de litio según la reacción

a ) Si una persona libera 1 .OO kg de CO, al día, cuántos kilogramos de LiOH se requerirán por día por persona?

b) ¿Cuál sería el incremento en el peso que habría que llevar si en vez de LiOH se usara NaOH, que es mas barato?

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 54

 1.108. La fórmula de la vitamina C es la siguiente:

¿Cuántas libras de este compuesto están contenidas en 2 g mol? 

Introducción a los cálculos de Ingeniería Química - Problemas 53

 1.107. Una planta fabrica CO, líquido tratando piedra caliza dolomítica con ácido sulfúrico comercial.

El análisis de la dolomita es el siguiente: 68.0% CaCO,, 30.0% MgCO, y 2.0% SiO,; el ácido es 94% H2S04 y 6% H,O. Calcule:

a ) Las libras de CO, producidas por tonelada de dolomita tratada.

b) Las libras de ácido comercial requeridas por tonelada de dolomita tratada.

Suponga que las reacciones son completas.

Respuesta