informe de estrategia en química

INTRODUCCION

En este informe, se plantean lo importante que es para el ingeniero la Síntesis de un Proceso Químico, que contienen a su vez los distintos pasos secuenciales. Osea el problema principal es, ¿qué se debe hacer, para obtener un determinado producto?. La respuesta es la siguiente.

Síntesis de los Caminos de ReacciónEste se basa en seleccionar las alternativas químicamente factibles y reales, o sea el ingeniero en realidad se debe encargar que los camino de reacción, seleccionado sea técnica y económicamente factible.

Balances de Materiales y Asignación de Especies En esta etapa aparece el flowsheet preliminar de las alternativas que se seleccionaron en la etapa anterior. Así, en esta etapa se hace un balance de materiales, para posteriormente hacer una asignación de especies, basándonos en técnicas heurísticas y balances de masa.

Tecnologías de SeparaciónCon todo lo anterior hecho, el problema ahora se centra en la separación de las especies involucradas. Aquí se determinan las propiedades a explotar en base al estudio de las diferentes propiedades físicas y químicas. Los diferentes tipos de separaciones están basados en:Relación de equilibrio.Velocidad de separación. Propiedades mecánicas.

Selección de Tareas de Separación,Este punto es importante, ya que aquí se hace la selección y determinación de la propiedad que se explotará, así también, el orden en que estas separaciones se harán. Estas separaciones deben hacerse heurísticamente sopesando los distintos atributos de cada diferencia de propiedad.

Integración de TareasEste es el ultimo paso de la secuencial consiste hacer una integración tanto material como energética, es decir se incorporaran operaciones unitarias auxiliares, con el propósito de lograr la integración de ellas con las del producto final.

Gracias a estos cinco pasos secuenciales, el ingeniero debe ser capaz de obtener un producto técnica y económicamente rentable

En la industria, la mayoría de las operaciones unitarias se encuentran presente, y desde luego el proceso de destilación. El cual consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes

aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullición) entre los dos componentes es grande, puede realizarse fácilmente la separación completa en una destilación individual. En este informe se presentan ejemplos relacionados con este tipo de operación.

Esperamos a través de los ejemplos descritos que el lector se familiarice con las diferentes operaciones unitarias que se muestran aquí.

TALLER Nº 3: ESTRATEGIA EN EL CÁLCULO DE PROCESOS. 2

TEMA 1:

Se desea obtener productos puros, a partir de cloruro y decano, estas materias primas son llevadas a un reactor en donde se produce la reacción, obteniendo así, una mezcla de productos que necesariamente deben ser separados, para obtener un valor comercial aceptable.

Nuestro objetivo es explicar de manera concisa la selección de las diferentes tareas, dicho de forma, se debe buscar información acerca de las propiedades físicas y químicas a ser plausiblemente explotadas, para resolver nuestro problema de separación.

Las especies a la salida del reactor son las siguientes: decano (DEC), cloruro (Cl2), ácido clorhídrico (HCl), monoclorurodecano (MCD) y diclorodecano (DCD).

Para separar estas mezclas nosotros debemos observar las propiedades físicas y químicas de todas las especies a separar.

ESPECIE CANTIDAD (mol)

PUNTO DE EBULLICION (°C)

Monoclorurodecano, MCD 177 215Diclorodecano, DCD 211 241Decano, DEC 142 174Cloruro, Cl2 71 -34Acido Clorhídrico 36.5 -85

TABLA: N°1

Esta tabla muestra los datos de propiedades físicas de las especies involucradas en la separación. Para este tipo de mezclas podrían ser útiles las amplias diferencias en el punto de ebullición, que se muestra a continuación:

Temperatura de Ebullición °C Diferencia (°C)

HCl-85

51-34

Cl2

208

DEC 17441

MCD 215DCD 241 26

FIGURA 1

El bajo punto de ebullición de las mezclas, puede causar problemas, ya que causarían un costo de condensación. Sin embargo las diferencias de los puntos de ebullición son


atractivas, y la separación por destilación podría ser el principio de la secuencia, para el desarrollo de la separación. La diferencia entre los puntos de ebullición del MCD y el DCD es muy pequeña, lo

cual dificulta la separación si se piensa en un destilador. MCD y el DCD tienen muy alto su punto de ebullición.

La diferencia del punto de ebullición se usa en los procesos de separación, una pregunta típica para estos tipos de problemas, seria:¿Se puede separar estas mezclas?¿Cuál es el orden de separación?

Para nuestro problema de separación, existen cinco posibilidades de secuencia de separación, si el cloruro y el decano se mantienen juntos durante la separación: ¿cómo se puede decidir, cual de estas secuencias de separación es la mejor?

A) ESTRUCTURA A

HCl

Cl2, DEC

MCD

DCD

B) ESTRUCTURA B

HCl Cl2, DEC

MCD

DCD


C) ESTRUCTURA C HCl

CL2, DEC

MCD

DCD

D) ESTRUCTURA D

HCl

Cl2, DEC

MCD

DCD

E) ESTRUCTURA E

HCl

Cl2, DEC

DCD MCD


Cabe destacar que todas estas posibles secuencias de separación (A;B;C;D;E), están basadas en la diferencia de puntos de ebullición, si el cloruro se mantiene junto con el decano.

La respuesta a la pregunta anterior se basa en la heurística, esta se fundamenta en ciertos criterios, que están relacionados con la minimización de costes de separación:

H-1: Se debe remover primero la especie más abundante.Si se desea minimizar los costos asociados a la construcción de los separadores,

se sugiere utilizar esta heurística. Para nuestro problema, si comparamos la tabla 1 con la figura 1 observamos que

es mejor remover primero el HCl(menor punto de ebullición), DEC y Cl2(mayor cantidades), una nueva pregunta seria, ¿ seria mejor remover el HCl del MCD-DCD para obtener la una fracción de Cl2-DEC? Las estructuras mas representativas a lo dicho anteriormente, son A y C.

H-2: Para sistemas de destilación, se debe remover primero la especies de bajo punto de ebullición.

La base de esta regla es disminuir los costos asociados con la condensación de los componentes con bajo punto de ebullición como lo son el HCl y el DEC, ya que en caso contrario (de no remover estas especies) se estaría repitiendo el proceso de condensación de estas cantidades. Las estructuras A y B son representativas de lo dicho anteriormente.

H-3: Las separaciones mas dificiles van al final.Es preciso destacar que las especies más abundantes MCD y DCD, se podrían

retirar primero, pero existe una restricción muy importante. La separación de MCD y DCD, implica las diferencias más pequeñas de temperatura de ebullición, y así, usando un criterio esta diferencia se toma como la dificultad de la separación. Las estructuras A y C reflejan lo dicho antes, estas reducen los costos de separación.

H-4: Se debe remover primero los materiales corrosivos y dañinos. Debido a la acidez del ácido clorhídrico, la especie más corrosiva es el HCl. En

caso de no eliminar de manera temprana el HCl de sistema, se incurriría en gastos por daños de equipos. Las estructuras A y B reducen los costos ya que primero remueve el material más corrosivo.

El MCD debe ser removido de los productos de destilación, para asegurar que este puro

Las estructuras A y C tienen el MCD como destilado, produciendo un producto puro.Haciendo una revisión de lo dicho antes, la estructura A es la opción más tentativa.

HCl Cl2, DEC

MCD

DCD


(El Cl2 y el DEC permanecen juntos, la eliminación ambas especies se hace por una sola corriente).

Sin embargo atrae mucho la atención la diferencia entre las propiedades del Cl2 y el decano. Una primera medida, seria destilar estas especies, por la diferencia relativamente grande de sus puntos de ebullición, esta separación debe ser lo suficientemente limpia.

Pero antes de esta operación, primero se debe remover el HCl de la mezcla (la estructura A muestra una destilación para remover esta especie del Cl2 y DEC). La remoción por destilación de ácido clorhídrico requiere una posterior condensación (por su bajo punto de ebullición), llevando consigo algunas condiciones especiales de operación, como: Presiones elevadas. Baja temperatura de refrigeración.

Estas dos condiciones, son demasiado costosas, de acuerdo a la siguiente heurística.

H-5: Evitar incursionar en Temperaturas y Presión, pero cuando sea necesario, preferir las T y P altas, en vez de T y P bajas.

SUPOSICION: Si el Cl2 y el HCl eliminan juntos, el proceso de destilación se podría sustituir por un separador simple. Una posible estructura se muestra en la Figura 2.

Cl2, HCl

Productos del reactor DEC (devuelto al reactor)(sep. fase)

MCD, producto

(colum. destilación)

(colum. Destilación)FIGURA 2 DCD


Conclusión

Se deja claro en el problema que los criterios dados anteriormente, para la selección de las bases de separación, debemos recolectar información acerca de las diferentes propiedades físicas y químicas, esta selección se hace heurísticamente sopesando los distintos atributos de cada diferencia de propiedad.

Por ultimo no se ha tomado en cuenta la separación del CL2- del HCl. Una observación puede o no ser exacta dependiente de cómo este operando el reactor. Si una gran cantidad de decano es utilizada y mantenida por largo tiempo en el reactor, la cantidad de Cl2 en el efluente del reactor puede ser bastante pequeña y se puede descartar con el HCl.


TEMA 2

Ejercicio 1: Síntesis de los caminos de reacción.

Lixiviación de los varios minerales cobre. ¿Cuántas toneladas de latas destrozadas y de ácido sulfúrico requerido para recuperar una tonelada de cemento de cobre por el proceso de lixiviación del ejemplo 2.3-1 de los depósitos del mineral que son predominantemente ¿azurita? ¿Malaquita? ¿Crisocola? Defienda estos depósitos del mineral para la viabilidad económica.

Especies Precio de venta ($/ton)Cemento de cobre (60% Cu) 100Mineral 20Ácido Sulfúrico 30

El cemento de cobre se obtiene de la siguiente reacción:

CuSO4 + Fe Cu + FeSO4

El sulfato de cobre (CuSO4) se puede obtener de la azurita, malaquita, o crisocola al reaccionar con ácido sulfúrico, cuyas reacciones son:

Azurita:

Cu3(OH)2 (CO3)2 + 3H2SO4 3CuSO4 + 2CO2 + 4H2O

Malaquita:

Cu2(OH)2 CO3 + 2H2SO4 2CuSO4 + CO2 + 3H2O

Crisocola:

CuSiO3 2H2O + H2SO4 CuSO4 + SiO2 + 3H2O

Se analizara de que mena es más factible económicamente obtener la tonelada de cemento de cobre y luego las toneladas de chatarra y de ácido sulfúrico que se necesitan para obtener dicha tonelada de cemento de cobre.

Azurita:

Cu3(OH)2 (CO3)2 + 3H2SO4 3CuSO4 + 2CO2 + 4H2O / : 3

1/3 Cu3(OH)2 (CO3)2 + H2SO4 CuSO4 + 2/3 CO2 + 4/3H2OCálculo de toneladas de azurita por toneladas de Cu producido:

PMazurita = 344,5 ton/ton-molPMCu = 63,5 ton/ton-mol


1/3 ton-mol azurita * 1 ton-mol CuSO4 * 344,5 ton/ton-mol1 ton-mol CuSO4 1 ton-mol Cu 63,5 ton/ton-mol

= 1,81 ton azurita ton Cu

Cálculo de toneladas de H2SO4 por toneladas de Cu producido:

PM H2SO4 = 98 ton/ton-molPMCu = 63,5 ton/ton-mol

1 ton-mol H2SO4 * 1 ton-mol CuSO4 * 98 ton/ton-mol1 ton-mol CuSO4 1 ton-mol Cu 63,5 ton/ton-mol

= 1,54 ton H2SO4

ton Cu

Ganancia potencial de la obtención de cemento de cobre a partir de azurita:

G.P. = 130 – 1,54 * 30 – 1,81 * 20

G.P. = 47,6 $/ton Cu

Malaquita:

Cu2(OH)2 CO3 + 2H2SO4 2CuSO4 + CO2 + 3H2O / : 2

1/2 Cu2(OH)2 CO3 + H2SO4 CuSO4 + 1/2 CO2 + 3/2H2O

Cálculo de toneladas de malaquita por toneladas de Cu producido:

PMmalaquita = 221 ton/ton-molPMCu = 63,5 ton/ton-mol

1/2 ton-mol malaquita * 1 ton-mol CuSO4 * 221 ton/ton-mol1 ton-mol CuSO4 1 ton-mol Cu 63,5 ton/ton-mol = 1,74 ton malaquita

ton Cu



1 ton-mol H2SO4 * 1 ton-mol CuSO4 * 98 ton/ton-mol1 ton-mol CuSO4 1 ton-mol Cu 63,5 ton/ton-mol

= 1,54 ton H2SO4

ton Cu


Ganancia potencial de la obtención de cemento de cobre a partir de malaquita:

G.P. = 130 – 1,54 * 30 – 1,74 * 20

G.P. = 49,0 $/ton Cu

Crisocola:

CuSiO3 2H2O + H2SO4 CuSO4 + SiO2 + 3H2O

Cálculo de toneladas de malaquita por toneladas de Cu producido:

PMcrisocola = 175,5 ton/ton-molPMCu = 63,5 ton/ton-mol

1/2 ton-mol crisocola * 1 ton-mol CuSO4 * 175,5 ton/ton-mol 1 ton-mol CuSO4 1 ton-mol Cu 63,5 ton/ton-mol

= 2,76 ton crisocola ton Cu



1 ton-mol H2SO4 * 1 ton-mol CuSO4 * 98 ton/ton-mol1 ton-mol CuSO4 1 ton-mol Cu 63,5 ton/ton-mol= 1,54 ton H2SO4

ton Cu

Ganancia potencial de la obtención de cemento de cobre a partir de crisocola:

G.P. = 130 – 1,54 * 30 – 2,76 * 20

G.P. = 28,6 $/ton Cu

La alternativa más viable económicamente es la producción de cemento de cobre a partir de la mena de malaquita, ya que tiene una mayor ganancia potencial.

Cálculo de toneladas de chatarra por tonalada de Cu:

PMFe = 56 ton/ton-mol.

1 ton-mol Fe * 1 ton-mol CuSO4 * 56 ton/ton-mol1 ton-mol CuSO4 1 ton-mol Cu 63,5 ton/ton-mol


= 0,88 ton Fe ton Cu

Cálculo de las toneladas necesarias de chatarra y de ácido sulfúrico para producir una tonelada de cemento de Cu (60%).

Para producir 1 tonelada de cemento de Cu se necesitan:

1ton * 0,6 = 0,6 ton de Cu

masa H2SO4 = 1,54 ton H2SO4 * 0,6 ton Cu ton Cu

masa H2SO4 = 0,924 toneladas de H2SO4.

masa Fe = 0,88 ton Fe * 0,6 ton Cu ton Cu

masa Fe = 0,528 toneladas de Fe.

Por lo tanto se concluye que es más factible económicamente la producción de cemento de cobre a partir de la mena de malaquita, ya que su ganancia potencial es mayor.

Las toneladas necesarias de chatarra y ácido sulfúrico para producir una tonelada

de cemento son 0,528 y 0,924 respectivamente.


Ejercicio 2: Balance de materiales, distribución y asignación de especies.

Proceso de producción de cáustico con un espesador. Ésta es una versión simplificada del proceso en el ejemplo 3.3-6 para la producción de una solución el cáustico de 8 por ciento. Se ha quitado el segundo espesador y el agua se ha agregado directamente al reactor. Determine el índice de la adición del agua y el índice de la producción de cáustico de 8 por ciento. Comparando esta producción con la del proceso en el ejemplo 3.3-6, determine el porcentaje del aumento en la producción causada por el uso del segundo espesador.

CaO Agua Soda Ash (Na2CO3)14,800 ton/día 21,200 ton/día

Reactor

solucióncáustica (8%)

LodosSólidos 30%Solución 70% (8% cáustico)


Espesador

Ejemplo 3.3-6

Soda Ash (Na2CO3) Ca(OH)2 21.200 ton/día 14.800 ton/día

recirculación (diluida)

Reactor Agua de lavado

Solucióncáustica (8%)16.000 ton/día de NaOH

PulpaSólidos 30% Lodos

Solución 70% Sólidos 30%(8% de NaOH en solución) Solución 70% (8%

cáustico)

Al compararse estos dos procesos de producción de NaOH al 8% se concluye que es mas eficiente el proceso con la utilización de 2 espesadores, ya que la producción de NaOH es de 16.000 ton/día, en cambio el proceso con la utilización de 1 espesador nos da una producción menor la cual es 12666,67 ton/da. Lo que se debe al tratamiento que se le hace al lodo que sale del segundo espesador para la recuperación de NaOH que va en el lodo.


Espesador I

Espesador II

1

25

4

3

6

Ejercicio 3: Tecnología de separación.

Destilación gradual. Si una mezcla de benceno y tolueno se vaporiza o se condensa parcialmente, las composiciones en el vapor y el líquido son diferentes, el componente más volátil es enriquecido en la fase del vapor. Para la mezcla Benceno – tolueno, el enriquecimiento se expresa como:

(Benceno/tolueno)vapor = 2.5 (Benceno/tolueno)líquido

Si durante el proceso se arregla de la forma que la mitad de la alimentación se incorpora a una unidad como vapor y la otra mitad como liquido, ¿cuántas etapas se deben utilizar para producir una corriente que sea 75 por ciento de benceno de una alimentación que es 50 por ciento de benceno? ¿Qué fracción del benceno se va en el vapor enriquecido, y qué fracción se va en las corrientes líquidas? ¿Cómo cambia la estructura del proceso si las corrientes líquidas se reciclan en la unidad que tiene la alimentación enriquecida del vapor con la composición más cercana al líquido reciclado? De esta manera algo del benceno perdido antes en las corrientes líquidas se recupera en el producto enriquecido del vapor. Tales operaciones de reciclaje son muy importantes para aumentar la eficacia de proceso.

BencenoLíquido yB

50% yT

. . . L0 Vapor Vapor

xB enriquecido enriquecido xT

Líquido Líquido

A la entrada del sistema se toma como base de calculo un mol del líquido inicial, y la composición es 50% benceno y 50% tolueno, para calcular las composiciones a la salida del sistema, se utilizaran las siguientes relaciones de definición:

yB + yT = 1 (1)xB + xT = 1 (2)

y la relación de volatilidad relativa que da el enunciado del ejercicio:

yB / xB = 2,5 (3) yT / xT

Con estas tres relaciones realizamos un balance de información:

GL = V – R – E

V = xB, xT, yB, yT

R = 3E = 0


GL = 4 – 3 = 1

Para reducir los grados de libertad a cero se agrega otra relación, que es un balance de material en este caso un balance de benceno.

L0 = LBxB + VByB

GL = 4 – 4 = 0

Por lo tanto las relaciones son:

yB + yT = 1 (1) xB + xT = 1 (2)yB / xB = 2,5 (3) yT / xT L0 = LBxB + VByB (4)

Reemplazando los datos y despejando obtendremos las composiciones a la salida de la primera etapa:

1 * 0,5 = 0,5xB + 0,5yB

1 = xB + yB yB = 1 - xB

yB = 1 - yT

xB = 1 - xT yB = 2,5 yT * xB

xT

1 - xB = 2,5 (1 - yB)(1- xT) xT

xT = 2,5 (1 - yB)(1- xT) xT

xT2 = 2,5 ((1 – (1 - xB))( 1- xT))

xT2 = 2,5 ((1 – 1 + xB)( 1- xT))

xT2 = 2,5 xB( 1- xT)

xT2 = 2,5 (1 – xT)( 1- xT)

xT2 = 2,5 (1 – 2xT + xT

2)xT

2 = 2,5 – 5xT + 2,5xT2

1,5 xT2 – 5xT + 2,5 = 0

xT = 0,61reemplazando en las ecuaciones se obtiene:

xB = 1 - xT xB = 0,39yB = 1 - xB yB = 0,61yB = 1 - yT yT = 0,39


Como la composición del benceno en el vapor no es 0,75 se agrega otra etapa, los calculos ser realizaran igual que en la primera etapa teniendo en cuenta que sale la mitad de alimentación por el vapor y la otra mitad por el liquido.

Balance de benceno en la segunda etapa:

0,5 * 0,61 = 0,25 xB + 0,25 yB

1,22 = xB + yB yB = 1,22 - xB yB = 1 - yT

xB = 1 - xT yB = 2,5 yT * xB

xT

1,22 - xB = 2,5 (1 - yB)(1 - xT) xT

xT [1,22 – (1 - xT)] = 2,5 (1 - yB)(1 - xT)xT (1,22 – 1 + xT) = 2,5 (1 - (1,22 – xB ))(1- xT)xT (0,22 + xT) = 2,5 (1 – (1,22 – (1- xT))) (1 - xT)0,22 xT + xT

2 = 2,5 (1- 1,22 + 1 - xT )(1 - xT)0,22 xT + xT

2 = 2,5 (0,78 - xT )(1 - xT)0,22 xT + xT

2 = 2,5 (0,78 - 1,78 xT + xT2)

0,22 xT + xT2 = 1,95 – 4,45 xT + 2,5 xT

2

1,5 xT2 – 4,67 xT + 1,95 = 0

xT = 0,5

reemplazando en las ecuaciones se obtiene:

xB = 1 - xT xB = 0,5yB = 1,22 - xB yB = 0,72yT = 1 – yB yT = 0,28

La composición del benceno en el vapor a la salida de la segunda etapa es 0,72, este valor esta muy cercano a lo requerido que es 0,75. Se agregara otra etapa para ver si la composición del benceno en el vapor a la salida de la tercera etapa es exactamente 75%. Calculo de las composiciones a la salida de la tercera etapa.

Balance de benceno en la segunda etapa:

0,25 * 0,72 = 0,125 xB + 0,125 yB

1,44 = xB + yB yB = 1,44 - xB yB = 1 - yT

xB = 1 - xT yB = 2,5 yT * xB

xT

1,44 - xB = 2,5 (1 - yB)(1 - xT)


xT

xT [1,44 – (1 - xT)] = 2,5 (1 - yB)(1 - xT)xT (1,44 – 1 + xT) = 2,5 (1 - (1,44 – xB ))(1- xT)xT (0,44 + xT) = 2,5 (1 – (1,44 – (1- xT))) (1 - xT)0,44 xT + xT

2 = 2,5 (1- 1,44 + 1 - xT )(1 - xT)0,44 xT + xT

2 = 2,5 (0,56 - xT )(1 - xT)0,44 xT + xT

2 = 2,5 (0,56 - 1,56 xT + xT2)

0,22 xT + xT2 = 1,4 – 3,9 xT + 2,5 xT

2

1,5 xT2 – 4,12 xT + 1,4 = 0

xT = 0,4

reemplazando en las ecuaciones se obtiene:

xB = 1 - xT xB = 0,6yB = 1,44 - xB yB = 0,84yT = 1 – yB yT = 0,16

La composición del benceno en el vapor a la salida de la tercera etapa es 0,84, esta composición sobrepasa a la composición requerida.

Por lo tanto se necesitan tres etapas para obtener una corriente de 75% de benceno en el vapor enriquecido, ya que si se ocupan dos etapas se obtiene una corriente con un 72% de benceno en el vapor.

Fracciónes de benceno que van en las corrintes de vapor y liquido son:

En la primera etapa: yB = 0,61 y xB = 0,39En la segunda etapa: yB = 0,72 y xB = 0,50En la tercera etapa: yB = 0,84 y xB = 0,60

Si cambiamos la estructura del proceso reciclando las corrientes liquidas, las composiciones a la salida de la etapa serán:

Balance de benceno en el punto de mezcla, para calcular la composición de benceno a la entrada de la etapa.


11

1,5 XB = 0,5 * 1 + 0,5 * 0,39XB= 0,695/ 1,5XB = 0,46XT = 0,54

Balance de benceno en la etapa

1,5 * 0,46 = 0,5 xB + 0,5 yB

1,38 = xB + yB yB = 1,38 - xB

yB = 1 - yT

xB = 1 - xT yB = 2,5 yT * xB

xT

1,38 - xB = 2,5 (1 - yB)(1- xT) xT

1,38- (1 - xT) = 2,5 (1 - yB)(1- xT) xT

xT [1,38- (1 - xT)] = 2,5 (1 - yB)(1- xT)xT [0,38 + xT)] = 2,5 (1 – (1,38 - xB))(1- xT)xT (0,38 + xT) = 2,5 (1 – (1,38 – (1- xT)))(1- xT)xT (0,38 + xT) = 2,5 (0,62 – xT)(1- xT)

2 xT + xT2 = 2,5 (xT

2 + xT - 2)2 xT + xT

2 = 2,5xT2 + 2,5 xT -2

1,5 xT2 + 0,5xT - 2 = 0

xT = 0,61

Como se puede observar la mayor parte del benceno que es alimentado se va por la parte vapor, puesto que de los dos componentes que entran en la alimentación el benceno es el más volátil, se ve también que para recuperar en 75% de benceno se deben utilizar tres etapas, por que mientras más se quiera recuperar de benceno mas etapas deben colocarse. Otra cosa que se puede concluir es que cuando se aplica una recirculacion las etapas sé reducen considerablemente por que las perdidas de benceno que se van por la parte liquida se estaría recuperando al recircularse.


Ejercicio 4: Selección de las tareas de separación.

Berilio de alta pureza. El metal berilio de alta pureza en forma de esponja puede producirse del óxido de berilio por cloración y reducción de sodio:

C + BeO + CL2 BeCl2 + CO

2 Na + BeCl2 Be + 2 NaCl

El flowsheet indica los pasos de la cloración y la reducción, durante la cloración

el óxido de berilio se convierte a cloruro de berilio. El residuo se envía a un proceso de recuperación de BeO y el BeCl2 se envía a sublimación. Una vez lavado queda libre de las impurezas por la sal fundida, el cloruro es reducido con el sodio metálico para formar el berilio. El cloruro de sodio e impurezas de sodio en la esponja cruda de berilio se destilan para formar el metal puro.

Propiedades físicas de metales y metales clorados

Mp(°C) Bp(°C ) presión de vapor(mmHg) A 950°C

Be 1283 2484 3,7x10-5

BeCl - - 532 muy alto BeO 2530 3900 muy bajo

Na 98 883 1310 NaCl 801 1465 4,4

(a) ¿Los balances de materiales en el proceso de cloración y reducción son consistente con la estequiometría de la reacción? (b) ¿Qué diferencias de propiedades se explotan en la sublimación y en el proceso de destilación? (c) ¿Cuál es la composición de las dos corrientes de residuo? (d) Especule sobre la química y separaciones que ocurren en la recuperación BeO. ¿calzan los balances de materiales?


Balance de materiales en la etapa de cloración:

2585 1022 6944 183 BeO C Cl sucrose

Residuo BeCl2 Balance de materiales :

1) (Nc)salida = (Nc)entrada – r1 (Ni)entrada = moles del componente i a la entrada2) (NBeO)salida = (NBeO)entrada – r1 (Ni)salida = moles del componen i a la salida3) (NCl2)salida = (NCl2)entrada – r1

4) (NBeCl2)salida = (NBeCl2)entrada + r1

5) (NCO)salida = (NCO)entrada + r1

De la ecuación numero 4 se tiene que (NBeCl2)entrada = 0, y de la 5 se tiene (NCO)entrada = 0 por que solo se forman y no ingresan a la etapa de cloración.Por lo tanto nos queda:

(NBeCl2)salida = r1 = 75,8 ton-mol (NCO)salida = r1 = 75,8 ton-mol

(Nc)salida = 85,16– 75,8 = 9,366 ton-mol

(NBeO)salida = 126 – 75,8 = 50,2 ton-mol

(NCl2)salida = 99,2 – 75,8 = 23,4 ton-mol

porcentaje de conversión del BeO = 126 – 50,2 = 60% 126

Balance de materiales en la etapa de reducción:


Cloración 1000°C

3726 5396 Na BeCl2

Residuo crudo: NaCl Na Be 7894 621 548

Balance de materiales :

1) (NNa)salida = (NNa)entrada – 2r2

2) (NBeCl2)salida = (NBeCl2)entrada – r2

3) (NNaCl)salida = (NNaCl)entrada + 2r2

4) (NBe)salida = (NBe)entrada + r2

De la ecuación numero 2 se tiene que (NBeCl2)salida = 0, por que solo ingresa a la etapa de reducción y de 3 se tiene que (NNaCl)entrada = 0, y de 4 se tiene (NBe)entrada = 0 por que solo se forman y no ingresan a la etapa de cloración.

Por lo tanto nos queda: 0 = (NBeCl2)entrada – r2; r2 = (NBeCl2)entrada = 68,3 ton-mol (NNaCl)salida = 2*r2

(NBe)salida = r2

(NNa)salida = (NNa)entrada – 2r2 = 162 – 2*68,3 = 25,4 ton-mol (NNa)salida = (NNa)residuo + (NNa)crudo

24,5 = (NNa)residuo + 27; (NNa)residuo = 1,6 ton-mol. (NNaCl)salida = 2*r2 = 2*68,3 = 136,6 (NNaCl)salida = (NNaCl)residuo + (NNaCl)crudo 136,6 = (NNaCl)residuo + 136,6; (NNaCl)residuo = 0. (NBe)salida = r2 = 68,3 (NBe)salida = (NBe)residuo + (NBe)crudo

68,3 = (NBe)residuo + 60,3; (NBe)residuo = 8 ton-mol.

A)

Se ve clara mente que el balance de materiales no es consistente con la estequiometria de las reacciones químicas, tanto para la etapa de cloración como para la etapa de reducción esto se ve por que a la salida de estas etapas se producen residuos los que nos indica que la reacción no ocurrió en un 100% . 25 ton BeO

1 ton-mol BeO * 1ton-mol BeCl * ton-mol BeO = 2.77 ton BeO


Reducción

1ton-mol BeCl 1ton-mol Be 9 ton Be ton Be

ton-mol Be

Esto nos indica que por 2.77 ton de BeO se produce 1 ton de Be, y si en entraran 2058 ton de BeO se deberían producir 752,7 ton de Be, y solo se producen 548ton Be. Si la estequiometria fuera consistente con los balances de materiales nos tendrían que dar que salen 752,7 ton de Be.

B)

En la etapa de sublimación las propiedades que se explotan son el punto de fusión para la sal y el punto de ebullición para el BeCL2, ya que la temperatura en esta etapa del proceso es de 800°C y a esa temperatura la sal se empieza a fundir puesto que su punto de fusión se alcanza a la temperatura de 801°C, y por otro lado a 800 °C el BeCl 2

esta en estado gaseoso, ya que su punto de ebullición se alcanza ala temperatura de 532°C.

En la etapa de destilación la propiedad que se explota es la diferencia de volatilidades entre los compuestos, puesto que la volatilidades de los compuestos que entran en la destilación están muy alegadas entre si, como se sabe que la presión de vapor del Na es 1320mmHg, la del NaCl es 4,4mmHg y la del Be es 3,7*10-5, se deduce de esta información que el compuesto mas volátil es el Be.

C)

Las composiciones probables en el residuo que sale de la etapa de cloración son las siguientes: (Nc)salida = 9,366 ton-mol.

(NBeO)salida = 50,2 ton-mol.

(NCl2)salida = 23,4 ton-mol.

Las composiciones probables en el residuo que sale de la etapa de reducción son las siguientes: (NNa)residuo = 1,6 ton-mol. (NBe)residuo = 8 ton-mol.

Se puede concluir que los equipos ocupados en la obtención del berilio de alta pureza, fueron escogidos estudiando las propiedades físicas de los metales y los metales clorados que están presentes en las dos reacciones, puesto que a cierta temperatura las propiedades físicas(punto de ebullición; volatilidad; punto de fusión) de estos elementos son muy lejanas entre cada uno de ellos. También se puede concluir que el balance de materiales no coincide con la estequiometrica de las reacciones químicas, puesto que las reacciones no ocurre en un 100% de conversión, ya que a la salida de cada etapa en donde hay una reacción química salen residuos, lo que nos indica que no reaccionan todos los reactantes.


Ejercicio 5: Integración de tareas.

Destilado que se enfría con propano. Una corriente del destilado de 35 °F API debe ser enfriada a partir de 200 °F a 100 °F, usando una corriente líquida de propano que debe ser calentada a partir de 0 °F a 100 °F. ¿Cuántas libras por hora del destilado de 35 °F API se pueden enfriar por libra de propano calentado?

Contexto: este problema consiste e un intercambiador de calor simple. En donde desea enfriar una corriente de destilado desde 200 ºF a 100ºF, con una corriente liquida de de propano a partir de 0ºF a 100ºF. se desea de determinar cuanto libras por hora de destilado se pueden enfriar con una libra de propano:

Las ecuaciones de flujo de calor involucradas, son

Para un intercambiador de calor se cumple, lo siguiente

(A)

Para la corriente fría de propano

Mientras que el valor de Cp para el propano, se obtiene a partir de correlaciones

Donde los valores para las constantes se obtienen a partir de tablas (valores tabulados)

a=68.32b=22.59*10-2

c=-13.11*10-5

d=31.71*10-9

Integrando mediante el Método de Romberg la expresión, y haciendo conversión de unidades

Peso molecular del propanoM propano=(8+12*3) Kg/Kgmol

Luego,

=


Para la corriente caliente

( ) esta indica la propiedad final menos la inicial, destacando que el signo dado en la

relación (A) se integra a .

Debido a que se desea calcular las libras por horas de destilado enfriado, por cada libra de propano, se asumirá que la corriente de destilado es, agua en estado liquido, por lo que el valor de la capacidad calorífica es constante e igual a

Luego la masa de destilado, es decir agua enfriada por cada libra de propano es,

Despejando el valor de ,

0.1716 kg * 2.2 lb /kg

Tomando como base de cálculo B.C: 1hr

Las libras por hora que se pueden enfriar por cada libra de propano, son

Conclusión

En este problema se ha hecho una suposición que no es tan mala, si comparamos los valores en que varía la temperatura de destilado, estos no son superiores a la temperatura de ebullición ni de fusión a condiciones normales del agua. Para estos valores el agua se encuentra en el estado líquido, sin embargo, no deja de ser una suposición.

El intercambio de calor que existe entre los fluidos caliente y frió, pone de manifiesto el Primen Principio de la Termodinámica, que guarda relación con la conservación de energía.


TEMA 3

Síntesis de redes de intercambiadores de calor.

Tres corrientes deben ser enfriadas por otras tres corrientes frías que deben ser calentadas. Obtener la red de intercambiadores de calor que optimice la integración energética.

Problema 2:

T° entrada[°K]

T° salida[°K]

Flujo ()[Kg/hr]

Cp[Kcal/Kg °C]

W* Cp[Kcal/hr °C]

H1 470 360 6000 0,26 1560H2 370 300 4000 0,15 600H3 420 330 9000 0,35 3150C1 320 390 13000 0,25 3250C2 310 410 9000 0,60 5400C3 430 500 12000 0,25 3000

Para obtener la síntesis de redes de intercambiadores de calor, se aplica la heurística de “transferir calor entre la corriente más caliente a ser enfriada con la corriente más fría a ser calentada”, antes de poner en contacto las corrientes se ve hasta cuánto puede calentar la corriente caliente y hasta cuánto puede enfriar la corriente fría cumpliendo con el T de aproximación, el cual es T = 15 °K, luego determinar las áreas efectivas de las corrientes y el calor transferido entre las corrientes será el área más pequeño.

Aplicando la primera heurística se ponen en contacto las corrientes H1 y C3 para calentar las corrientes frías C3 de 430 K hasta 455 K y H1 enfrió desde 470 K hasta 422 K

Balance de Energía

WC3 * CpC3 * TC3 = WH1 * CpH1 * TH1

3000*(455 - 430) =1560 * (470 - X)

75000 = 733200 – 1560*X X = 422 °K

Con el calor transferido la corriente C3 queda a 422 °K.

Ahora se aplico la segunda heurística al poner en contacto las corrientes H2 y C2, para enfriar H2 de 370 K hasta 325 K y la corriente C2 se calentó desde 310 K hasta 315 K


WH2 * CpH2 * TH2 = WC2 * CpC2 * TC2

600*(370 - 325) = 5400* (X - 310)

27000 = 5400*X – 1674000 X = 315 °K

Con el calor transferido la corriente C2 queda a 315º K

Luego enfrié H2 desde 325 K A 300 K con salmuera a 30 º F (equivalente a 272 ºK)

Se aplico la segunda heurística, se conecta la corriente H3 con la corriente C2 para calentar la corriente H3 de 420 K hasta 330 K y se calentó la corriente C2 desde 315 K hasta 368 K

W * CpH3 * TH3 = WC2 * CpC2 * TC2

3150*(420 – 330) = 5400*(X - 315)

283500 = 5400*X – 1701000 X = 368 °K

Ahora se puso en contacto la corriente H1 con C1 para enfriar de 422 K hasta 360 K y se calentó la corriente C1 de 320 K hasta 350 K

W * CpH1 * TH1 = W * CpC1 * TC1

1560*(420 - 360) = 3250*(X - 320)

96720 = 3250*X – 1040000 X = 350 °K

Luego se calienta la corriente C1 desde 350 K hasta 390 K con vapor a 550 K

Después se calienta la corriente C3 desde 455 K hasta 550 K con vapor a 550 K.

Red de intercambio de calor de 6 corrientes


Por otro lado se conectan

Por lo tanto se concluye que las redes de intercambiadores de calor optimizan la integración energética, debido a que cuando las corrientes calientes se conectan con las corrientes fricas hay un intercambio de calor entre ellas.


CONCLUSION

Mediente la confeccion del presente informe, se pudo poner en práctica los conocimientos adquiridos en la asignatura de estrategia en el cálculo de procesos, ya que se desarrollaron 3 temas de los cuales se compone el presente.En el primer tema nos pudimos dar cuenta lo importante de recolentar informacion acerca de las diferentes propiedades fisicas y quimicas, esta selección se realiza mediante heuristicas que permiten manejar las diferencias de propiedades, como tambien las observaciones pueden presentar inexactitudes dependiendo de cómo se operen los equipos (reactor).

Al desarrollar y analizar los problemas que conforman el tema 2 del presente, tenemos la factibilidad de economica para producir cemento de cobre a partir de mena de malaquita, ya que la ganacia potencial es mayor.

Por otro lado podemos concluir que dentro del proceso de produccion del NaOH, el proceso se hace es mas eficiente con la utilizacion de 2 espesadores ya que aumentamos la produccion en ton/dia de 12667 a 16000, devido al tratamiento de lodo realizado en el segundo espesador para mayor recuperacion de NaOH.

Ahora bien dentro del problema de destilacion gradual, se pudo observar que la mayor parte de del benceno sale en fase vapor, por la cualidad de ser mas volatil, por lo que se requiere implemntar mas etapas para lograr una mayor recuperacion. Ademas al recircular las etapas se reducen en forma considerable las perdidas de benceno en la parte liquida.

Para obtener berilio de alta pureza es necesario escoger los equipos mediante un estudio de las propiedades fisicas de los metales clorados presentes en las reacciones.

Dentro de los resultados obtenidos en el quinto problema del tema dos podemos concluir que el intercambio de calor que existe entre el fluido caliente y el frio se aprovecha al maximo. Asi la corriente proveniente de la destilacion alcanza a enfriar solo una pequeña parte de su masa, devido aque la libra de propano es insuficiente para calentar su totalidad.

Para la resolucion del problema que compone el tema tres, fue necesario aplicar las heuristicas, las cuales no han sido obtenidas utilizando algun metodo cientifico. Pero si son aplicables en la resolucion de problemas ya que se obtienen a partir de la realidad. Es posible observar que existe bastante calor provenientes de las corrientes calientes que puede ser utilizado para enfriar las corrientes frias, logrando asi reducir costos en los procesos y obtener mayores ganancias.


BIBLIOGRAFIA

Rudd, D.F., Powers y Siirola. “Process Synthesis”, 1973.Editorial Prentice Hall Inc.

Apuntes entregados en la asignatura de Estrategia en el Calculo de Procesos


informe de estrategia en química

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