Problemas de balance.

4.1 Se llama beneficio de carbón a un proceso de separación física, mediante el cual se reduce el contenido de azufre del carbón. Este proceso puede eliminar al azufre presente en el carbón en forma de FeS (piritas de hierro), pero no al azufre presente como parte de moléculas orgánicas. Una ventaja adicional del beneficio es que elimina rocas inorgánicas, que podrían aparecer mezcladas con el carbón tal como se extrae de la mina. Sin embargo, la fracción de roca y FeS siempre acarea consigo algo del carbón útil. En una determinada aplicación de beneficio, se procesa un carbón cuyo análisis corresponde a 5% de azufre (total) y 10% de roca, para limpiarlo de todo el azufre de piritas y toda la roca y obtener un carbón limpio con 2% de azufre. Se sabe además que 10% de carbón útil se pierde con los desperdicios del beneficio. Determine la proporción de azufre de piritas a azufre total en la alimentación (a) usando balances elementales: (b) usando balances por componente.

Entrada

10 kg/h de roca 5 kg/h de azufre total (azufre orgánico y FeS) 85 kg/h carbón útil

Salida 1 (Desperdicios)

En los desperdicios sale azufre en forma de piritas de hierro que es lo que nos pregunta el problema

FeS=?

Sale toda la roca del proceso por lo tanto

Roca= 10 kg/h

Se pierde el 10% de carbón útil como desperdicios por lo tanto el 10% de 85 kg/h

Carbón útil = 8.5 kg/h

Salida 2

En esta salida se especifica que salen azufre

Azufre: 2%

Como entran 85 kg/h de carbono y se desperdician el 10%, el resto sale como carbón útil.

Carbón útil = 76.5 kg/h

Para completar el 100% de esta salida el carbón corresponde a un 98%.

Para saber la composición de salida del azufre hacemos una relación

76.5 kg/h : 98%

X : 2%

Por lo tanto la salida de azufre que corresponde al 2% es de 1.5612 kg/h Azufre Orgánico.

Ahora al conocer el 2% de azufre orgánico de esta salida, podemos conocer la salida de azufre en forma de pirita de hierro que es lo que nos pregunta el problema. La cantidad de azufre que entra al proceso es un porcentaje de 5% pero debido a nuestra base de cálculo que propusimos tenemos una entrada de 5 kg/h. Como en la salida 1 sale 1.5612 kg/h, el resto de azufre sale en la salida 2 lo cual corresponde a FeS=3.4388 kg/h.

4.2 En un proceso catalítico por síntesis de un gas rico en hidrocarburos, se convierte un gas (cuya composición es 0.8% de CH4, 7.6% de CO2, 35.2% de CO, 51.9% de H2, 4.0% de N2 y 0.5% de O2), a otro gas que contiene 43.8% de CO2 y 0.2% de CO (en base seca), y que contiene además CH4, H2, N2 y H2O. Calcule la composición del gas producto.

4.3 La madera puede convertirse a un gas de síntesis crudo que contiene CO y H 2 mediante descomposición térmica en ausencia de aire, a unos 1000 0C. También se obtienen cantidades menores de otros subproductos orgánicos. Por ejemplo, de 3300 lb de madera de pino se obtienen:

172 lb de etileno (C2H4), 60 lb de benceno (C6H6), 25 lb de acetileno (C2H2), 17 lb de propileno (C3H6), 9 lb de tolueno (C6H6CH3).

El producto restante de la pirolisis es un coque bastante puro, que puede suponerse contiene únicamente carbono. Si se alimenta al proceso un pino cuyo análisis es 50.3% de C, 6.2% de H, 43.5% de O y cantidades despreciables de cenizas, calcule las libras de gas de síntesis, coque y otras sustancias, producidas con una tonelada de madera.

1 ton/h de madera = 2000 lb/h

El primer paso a llevar es sacar las fracciones que salen por componente de la madera, para lo cual utilizamos el ejemplo que se nos da de 3300 lb/h de madera.

Si por 3300 lb/h de madera que entran, salen:

172 lb/h de etileno (C2H4)

60 lb/h de benceno (C6H6)

25 lb/h de acetileno (C2H2)

17 lb/h de propileno (C3H6)

9 lb/h de tolueno (C6H6CH3).

Entonces:

Y etileno=lb /hetilenolb /h totales

= 172lb /h3300lb /h

=0.0521

Y benceno=lb /hbencenolb /htotales

= 60 lb /h3300 lb /h

=0.0182

Y acetileno=lb /hacetilenolb /h totales

= 25 lb /h3300 lb /h

=0.00758

Y propileno=lb /h propilenolb /h totales

= 17 lb /h3300 lb /h

=0.00515

Y tolueno=lb /h toluenolb /htotales

= 9lb /h3300lb /h

=0.00273

Ahora con estas composiciones, determinamos las salidas para 2000 lb/h de madera:

metileno=(0.0512 )( 2000lbh )=104.2lb /h

mbenceno= (0.0182 )(2000 lbh )=36.4 lb /h

macetileno=(0.00758 )( 2000 lbh )=15.16 lb /h

m propileno= (0.00515 )( 2000lbh )=10.3lb /h

mtolueno=(0.00273 )(2000 lbh )=5.46 lb /hAnalizando nuestro proceso, el cual está en estado estacionario, obtenemos el siguiente balance:

Entradas=Salidas

donde las entradas a manera de flujo son las siguientes:

mC=(0.503 )(2000 lbh )=1006lb /h

mH=(0.062 )( 2000lbh )=124 lb /h

mO= (0.435 )( 2000lbh )=870 lb /hCenizas despreciables.

Ahora, determinamos las composiciones de Carbono e Hidrógeno en los compuestos químicos que salen, para saber cuánto Carbono, y cuánto Hidrógeno salen.

Etileno:

Y C=pesomolecular de losCpesomolecular total

=2428

=0.8571

Y H=pe somolecular de los Hpesomolecular total

= 428

=0.1429

mC=(0.8571 )( 104.2 lbh )=89.3 lb /h

mH=(0.1429 )( 104.2lbh )=14.89018lb /hBenceno:

Y C=pesomolecular de losCpesomolecular total

= 727 8

=0.9231

Y H=pe somolecular de los Hpesomolecular total

= 678

=0.0769

mC=(0.9231 )( 36.4 lbh )=33.6 lb /h

mH=(0.0769 )( 36.4 lbh )=2.8 lb /h

Acetileno:

Y C=pesomolecular de losCpesomolecular total

=2426

=0.9231

Y H=pe somolecular de los Hpesomolecular total

= 226

=0.0769

mC=(0.9231 )( 15.16 lbh )=13.9938 lb /h

mH=(0.0769 )( 15.16 lbh )=1.1662lb /h

Propileno:

Y C=pesomolecular de losCpesomolecular total

=3642

=0.8571

Y H=pe somolecular de los Hpesomolecular total

= 642

=0.1429

mC=(0.8571 )( 10.3 lbh )=8.8286 lb /h

mH=(0.1429 )( 10.3lbh )=1.4714 lb /h

Tolueno:

Y C=pesomolecular de losCpesomolecular total

=8492

=0.9130

Y H=pe somolecular de los Hpesomolecular total

= 892

=0.087

mC=(0.9130 )(5.46 lbh )=4.9852 lb /h

mH=(0.087 )( 5.46 lbh )=0.4748 lb /hAhora sumando las masas de carbono y las de hidrógeno respectivamente, podemos obtener la cantidad que sale de estos componentes, para así restarlo de la entrada:

Carbono en los productos químicos: 150.7076 lb/h

Hidrógeno en los productos químicos: 20.80258 lb/h

Entradas de Carbono = Salidas de carbono

1006 lb/h = CO + Coque + 150.7076 lb/h

CO + Coque = 855.2924 lb/h

Entradas de Hidrógeno = Salidas de hidrógeno

124 lb/h = H2 + 20.80258

H2 = 103.19742 lb/h

Para determinar cuánto carbono sale en forma de CO, tenemos que hay una entrada de O de 870 lb/h, entonces determinamos sus composiciones y obtenemos el flujo de carbono:

0.57143870 lb/h

=0.42857x

x= 652.4962 lb/h de carbono en forma de CO

Ahora la cantidad que reste es la que está presente en la salida de coque:

CO + Coque = 855.2924 lb/h

652.4962 lb/h + coque = 855.2924 lb/h

Coque= 202.7962 lb/h

La salida del gas de síntesis, será igual a:

Entradas = Coque + Productos químicos + Gas de síntesis

2000 lb/h = 202.7962 lb/h + 150.7076 lb/h + Gas de síntesis

Gas de síntesis = 2000 lb/h - 202.7962 lb/h - 150.7076 lb/h

Gas de síntesis = 1625.69362 lb/h

Salidas

Gas de síntesis: 1625.69362 lb/h

Coque: 202.7962 lb/h

Productos químicos: 150.7076 lb/h

4.11 Se quema dos combustibles con aire: un gas natural de composición 96% CH4, 2% de C2H2 y 2% de CO2, y un aceite combustible con una proporción de C a H de 1 a 1.8. Los gases de combustión totales contienen 10% de CO2, 1% de CO, 5% de O2 y 84% de N2 en base seca (el H2O siempre aparece en los productos de combustión). Calcule la proporción en que se consume cada uno de los dos combustibles.

4.16 Un carbón seco que contiene 3% de cenizas, 1.5% de N, 0.6% de S y cantidades desconocidas de C, H y O, se gasifica para producir un gas combustible cuya composición en base seca es: 23 % de H2, 3.2% de CH4, 16.2% de CO, 12% de CO2, 1% de H2S y 44.6% de N2, así como un residuo solido que contiene 10% de carbono y el resto de cenizas. Si se usa un kg de vapor de agua por kilogramo de carbón alimentado, calcule el flujo de aire

requerido y el contenido de humedad del gas combustible.

Base de cálculo: 100 kg/h

Y por cada 100kg/h de carbón también entran 100 kg/h de agua

BALANCE DE MATERIA; como es un proceso estacionario y no tenemos reacciones

Nuestro balance quedaría como entrada=salida

Y acomodando las variables queda de la siguiente manera:

100 kg/h de carbón + aire = gas combustible + residuo

El residuo lo obtenemos de la siguiente manera :

Como entran 3% de cenizas, es correcto decir que entran 3 kg/h de cenizas y en nuestra salida tenemos que salen el total de las cenizas más el 10% de carbono

Nuestros 3 kg/h son el 90% mas el 10% de carbono

Y hacemos la relación siguiente

3kghcenizas

90%10%x

= 0.3333 kg/h

Y entonces le sumanos los 3 kg/h que entran y tenemos que los residuos que salen son

Residuos= 3 kg/h de cenizas + 0.3333 kg/h = 3.3333 kg/h

En el balance de la salida tenemos que

Aire+gas combustible +residuos = 100

Los residuos son 3.3333 kg/h

Aire-gas combustibles = -96.6667 kg/h (restándole los residuos e intercambios de signos)

Gas combustible-aire=96.6667 kg/h

Se deja todo en términos de aire

Por lo que nos queda; gas combustible = 96.6667 kg/h + aire

Balance general de N2

1.5 kg/h + 0.79 aire = 0.446(gas natural)

Sustituimos lo que sabemos que equivale el gas natural para dejar en términos de aire

1.5 kg/h + 0.79 aire = 0.446(96.6667 kg/h + aire)

1.5 kg/h + 0.79 aire = 43.11335 + 0.446aire

(0.79-0.446) aire= 43.11335-1.5

Aire= 41.613350.344 =120.9690 kg/h

Para calcular el flujo de gas combustible súmanos

G.C = (120.9690 + 96.6667) kg/h =217.6357 kg/h

Entonces nos da el porcentaje de humedad igual a 31.483 %