BALANCES DE MATERIA EN DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS

BALANCES DE MATERIA EN DIAGRAMAS DE
FLUJO DE PROCESOS
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Ejemplo 5.1 El importante producto químico intermedio acetaldehído
puede producirse catalíticamente mediante la oxidación parcial del etano. La
reacción primaria es
CH + O  CHO+ HO
2 6
2
2 4
2
Sin embargo, existen varias ecuaciones paralelas que ocurren en forma
significativa:
C H + 7 O  2 CO + 3 H O
2 6
2 2
2
2
C H +
2 6
3
O  CH OH + CO + H O
2 2
3
2
CH OH +
3
1
O  CH O + H O
2 2
2
2
2 CO + 3 H O  C H +
2
2 6
5
O
2 2
Para reducir la formación de estos subproductos diversos, el reactor
deberá operarse a una conversión baja de C2H6 y altas proporciones de C2H6 a
O2 en la alimentación. El proceso deberá manejar entonces una relación de
recirculación elevada y, debido a que se utiliza aire como fuente de oxígeno,
debe tener una corriente de purga en la recirculación para eliminar al inerte N 2.
Para evitar costosas pérdidas de etano en la purga, se divide a la corriente de
recirculación en dos partes iguales, como se muestra en el diagrama de flujo
del proceso de la figura 5.1. Sobre una de las partes se efectúa una separación
que elimina una corriente de N2, CO, CO2 y C2H6 en forma preferencial, para
descargarlos a la atmósfera. La otra mitad de la recirculación se regresa sin
tratamiento alguno directamente al reactor.
Bajo condiciones determinadas de operación, utilizando una corriente de
entrada al reactor que contiene 10 moles de C2H6 por mol de CO y 0.9333
moles de O2 por mol de CO, se observa que la corriente de salida del reactor
contiene 35 % de C2H6, 1 % cada uno de C2H4O, CH3OH y de CH2O, 4.25 %
de CO y 51 % de N2, además de cantidades menores de CO2 y H2O. La
corriente de salida (10) del separador 3 contiene cantidades equimolares de
CO y CO2. Suponiendo que el aire contiene 21 % de O 2 y 79 % de N2, se
desea calcular todas las corrientes del proceso.
Figura 5.1 Diagrama de flujo. Planta de acetaldehído
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Ejemplo 5.2 Supóngase que, en lugar de especificar la proporción de O 2
a CO en la entrada del reactor, se fija la proporción de aire a C 2H6 alimentada,
por ejemplo 0.171 moles de C2H6 en la corriente 12 por mol de aire alimentado.
Resuelva.
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Ejemplo 5.3 En una planta de amoníaco, un gas de alimentación que
contiene 74 % de H2, 24.5 % de N2, 1.2 % de CH4 y 0.3 % de argón, se hace
reaccionar catalíticamente para producir NH3. Los productos de la reacción se
refrigeran, para separar por paso 75 % del NH3 producido. La corriente de
proceso se recircula de regreso al reactor. Para estabilizar la acumulación de
los inertes CH4 y A en el proceso, parte del gas recirculado se purga.
Supóngase que se ajusta el flujo purgado, de manera que la alimentación
combinada al reactor contiene 18 % de CH4, y que se convierte por paso 65 %
del N2. Calcule todos los flujos del proceso. En la figura 5.2 se presenta un
diagrama de flujo simplificado del proceso.
Figura 5.2 Diagrama de flujo. Ciclo de síntesis de NH3.
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Ejemplo 5.4 El anhídrido acético puede producirse mediante el cracking
térmico del ácido acético hasta quetano, que se hace después reaccionar con
ácido acético adicional para formar el anhídrido. La reacción deseada en el
horno de cracking es
CH COOH  CH CO + H O
3
2
2
Pero a esta reacción la acompaña una reacción paralela,
CH COOH  CH + CO
3
4
2
Los estudios experimentales han demostrado que, para una temperatura t
presión de cracking determinados, el rendimiento fraccional es una función
directa de la conversión de ácido acético (HAc).
Por ejemplo, a 700 ºC, se han reportado los siguientes datos
experimentales:
Rendimiento fraccional CH2CO Conversión HAc
0.03
0.037
0.0522
0.062
0.067
0.0722
0.08
0.09
0.3
0.4
0.6
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.101
0.11
0.95
1.0
La corriente de producto del horno de cracking se enfría rápidamente y se
pone en contacto con ácido acético glacial en una torre en la que ocurren tanto
la absorción de queteno como la reacción
CH CO + CH COOH  (CH CO) O
2
3
3
2
La corriente líquida que sale de la torre de enfriamiento contiene una mezcla de
dos fases: una fase orgánica que contiene ácido acético, anhídrido y el queteno
que no reaccionó; y una fase acuosa que contiene principalmente agua y ácido
acético. Esta mezcla de dos fases se separa en un decantador. En seguida se
envía la fase orgánica a la torre de recuperación de ácido; el destilado de
lamisma se recircula al horno de cracking, en tanto que el residuo corresponde
al anhídrido producido. La fase acuosa del decantador contieneuna cantidad
considerable de ácido acétido, que se recupera en la torre de secado de ácido.
Este ácido concentrado se recircula también al reactor de craking. En el
diagrama de flujo mostrado en la figura 5.5, se opera la unidad de enfriamiento
de manera que aparezcan en los gases de descarga a la atmósfera: todo el
CO2 y el CH4, 5 % del H2O, 1 % del ácido acético y 1 % del queteno que no
reaccionaron. La fase orgánica que sale del decantAdor contiene 5 % del ácido
acético y todo el queteno y anhídrido alimentados a dicha unidad. La torre de
recuperación de ácido se opera de manera que aparezcan en la corriente
superior: 99 % del ácido acético, 1 % del anhídrido y todo el queteno
alimentados. La torre de secado de ácido operará de manera que 6 % del ácido
acético y 96 % del H2O alimentados a dicha unidad aparezcan en la corriente
de fondos.
Calcule todas las corrientes del proceso, suponiendo una conversión de
ácido acético en el reactor de 85 %, 95 % de conversión de queteno en el
enfriamiento, y una alimentación al proceso de 100 lbmol por hora de ácido
acético.
Figura 5.5 Diagrama de flujo. Planta de anhídrido acético.
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Ejemplo 5.5 En la figura 5.6(a) se ilustra un proceso simple, en el que la
sustancia A se convierte en la sustancia B; el proceso incluye un mezclador, un
reactor y un separador. El separador de productos se opera de manera que se
recirculan 80 % del A y 40 % del B en la corriente de salida del reactor. Las
condiciones de operación del reactor se ajustan para que la proporción de B a
A en la corriente de alimentación al reactor sea 1 a 5, cuando se usa una
alimentación al proceso de A puro. Suponiendo que la estequiometría de la
reacción es simplemente
AB
calcule la conversión necesaria para lograr estas condiciones del proceso.
Figura 5.6 Diagrama de flujo y orden de cálculo del ejemplo 5.7
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Ejemplo 5.6 En un proceso para la producción de hidróxido de sodio se
maneja una corriente intermedia (que contiene un precipitado de CaCO 3), en
lechada con una solución de NaOH y H2O. Esta lechada se lava con agua en
tres etapas, para reducir la concentración de NaOH en la lechada a un nivel
suficientemente bajo. En la figura 5.7 se muestra el diagrama de flujo para este
proceso de lavado a contracorriente. Puede suponerse que las etapas de
lavado operan de tal manera, que la lechada que sale de cada etapa contiene 2
lb de solución por lb de CaCO3 sólido. Asimismo, las concentraciones de las
soluciones en cada par de corrientes de salida de una etapa pueden suponerse
iguales. Si la lechada alimentada a la primera etapa contiene 10 % de NaOH,
30 % de CaCO3 y 60 % de H2O, calcule las libras de agua de lavado
necesarias por libra de alimentación para lograr una concentración de 1 % de
NaOH en la solución que sale de la corriente 4.
Figura 5.7 Diagrama de flujo. Lavado a contracorriente.
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