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Description
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA SERIE 5
ALUMNA:
Severiano Fernando Jhoana o
PROFESOR:
Carlos Alberto Morales Rojas o
ASESOR: Arturo Tlachuahac
o CARRERA: Ingeniería química. o GRUPO: 1301 o SEMESTRE: 2020-1
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BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA SERIE DE EJERCICIOS
NOMBRE DEL ALUMNO: SEVERIANO FERNANDO JHOANA El importante producto químico industrial Na 2CO3 se produce a partir de piedra caliza, CaCO 3, sal, NaCl y coque, C, usando el proceso Solvay. En este proceso la reacción química hipotética: CaCO3+2NaCl=CaCl2+Na2CO3 Que no ocurre bajo condiciones industrialmente aceptables, se efectuó indirectamente mediante una secuencia de reacciones en las que interviene amoniaco como producto intermedio en el diagrama de flujo mostrado de la figura 1 (Supuestamente 100% carbón) Y piedra caliza (supuestamente CaCO3 puro) a un horno, en proporción de tres moles de C a 4 moles de CaCO 3, En el horno como el carbón se quema completamente con aire, 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno: C+O2=CO2 Y proporciona el calor requerido para efectuar la descomposición térmica del CaCO 3: CaCO3=CaO+ CO2 Parte de los gases de la descarga del horno, que requieren 36.75% de dióxido de carbono, se purgan y el resto, 64%, se envía la unidad de carbonación. El residuo sólido del horno, que se supone contiene únicamente CaO, se hace reaccionar con agua en una unidad llamada “apagador”, para producir una solución al 35% de hidróxido de calcio, mediante la reacción así, CaO+H2O=Ca(OH)2 Esta solución de hidróxido reacciona en la unidad de recuperación de amoniaco con la recirculación de cloruro de amonio de la unidad de carbonación, para producir amoniaco y en su producto CaCl2: 2NH4Cl+Ca(OH)2=2NH3+CaCl2+2H2O La corriente de recirculación (corriente 13) contiene 4.7% de trióxido de carbono disuelto, 7.65% de cloruro de sodio, 61.54% de agua y el resto los compuestos de amonio. La corriente de subproducto CaCl2 también contiene 80% de agua y una cantidad pequeña de NH 4OH. Debido a esta pérdida de amoniaco, deberá suministrarse al proceso algo de NH 3 de reposición. El consumo típico de NH3 en la planta es de 1 mol de NH 3 por cada 17.5 moles de Na2CO3 producidas. El NH3 introducido, así como el NH3 producido por reacción, se hidrolizan inmediatamente a hidróxido de amoniaco en la unidad de recuperación de amoniaco: NH3+H2O=NH4OH La corriente 12, de hidróxido de amoniaco concentrado (sólo 50.57% de H 2O) proveniente de la unidad de recuperación, se introduce a la unidad de carbonación, en donde el hidróxido reacciona con NaCl (que se alimenta como salmuera saturada que contiene 34.37% de NaCl) y con un gas rico en CO2, para producir NaHCO3 mediante la reacción NH4OH+CO2+NaCl=NaHCO3+NH4Cl Los gases residuales de la unidad de carbonación se descargan a la atmósfera, en tanto la lechada de producto, que contiene el precipitado de NaHCO 3, se envía a un subproceso de separación. En la unidad de separación, se filtra el bicarbonato y se lava en etapas, para producir una corriente de bicarbonato húmedo, que contiene bicarbonato y un poco de NaCl. La corriente líquida residual de la unidad de separación se recircula a la unidad de recuperación de amoniaco, mientras que la corriente de bicarbonato húmedo se carga a un horno rotatorio,
llamado calcinador, en donde se descompone térmicamente al bicarbonato para producir carbonato de sodio: 2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O El producto sólido resultante contiene 2 moles de NaCl por cada 100 moles de carbonato de sodio. El CO2 y H2O eliminados en el calcinador, se enfrían para recuperar el H 2O por condensación. El CO2 se mezcla con los gases de descarga del horno de piedra caliza, y se alimentan a la unidad de carbonación. Supóngase que todas las composiciones están en fracción mol o porcentaje mol. a) Construya una tabla de grados de libertad y demuestre que el proceso está especificado correctamente b) Calcule las moles de solución de CaCl2 producidas (corriente 11) por mol de salmuera alimentada (corriente 14)
HORNO
APAGADOR
DIVISOR
R. AMONIACO
8
4
9
15
-6
-3
-3
-8
Caudales
0
0
0
Componentes
-2
-1
-1 -1
Variables independientes Balances independientes Especificaci ones independie ntes
Relaciones independientes Grados de libertad
SEPARADOR
CALCINADOR
MEZCLADOR
PROCESO GLOBAL
TOTAL PROCESO
14
7
7
20
51
-8
-6
-5
-3
-15
-42
0
0
0
0
0
0
0
-1
-6
-2
-3
0
0
-3
-9
0
-1
0
0
0
-1
0
-3
-4
0
4
1
8
5
1
4
-1
-40
CARBONACIÓN
18
Figura 1: Proceso Solvay
Se realizó el análisis de grados de libertad, logrando percatar que el problema no tiene solución ya que hacen falta algunos otros datos para su resolución. Solamente si hacemos ciertas suposiciones en ese caso se podría resolver parcialmente.
