Guía6 - PRQ500_1P

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28/SEPT/2020 
PRIMER PARCIAL 
BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA 
1. El clorobenceno (C6H5Cl), un solvente e intermediario importante en la producción de muchos 
otros productos químicos, se obtiene burbujeando cloro gaseoso en benceno liquido en 
presencia de un catalizador de cloruro férrico. En una reacción secundaria indeseable, el 
producto se clora aún más para dar diclorobenceno, y en una tercera reacción, el diclorobenceno 
se clora hasta triclorobenceno. La alimentación a un reactor de cloración consiste en benceno 
casi puro y cloro gaseoso de grado técnico (98% por peso de Cl2 y el balance de impurezas 
gaseosas con peso molecular promedio de 25,0). El líquido que sale del reactor contiene 65% 
en peso de C6H6; 32% en peso de C6H5Cl; 2,5% en peso de C6H4Cl2 y 0,5% en peso de C6H3Cl3. El 
gas de salida solo contiene HCl y las impurezas que entraron con el cloro. Se desea determinar 
a) la fracción de conversión de benceno, b) la fracción de rendimiento de monoclorobenceno, y 
c) la relación de masa de gas de alimentación respecto del líquido de alimentación. 
SOLUCION 
Planteamos el esquema del proceso: 
REACTOR
 
 
 
Las reacciones: 
𝐶6𝐻6 + 𝐶𝑙2 → 𝐶6𝐻5𝐶𝑙 + 𝐻𝐶𝑙 
𝐶6𝐻5𝐶𝑙 + 𝐶𝑙2 → 𝐶6𝐻4𝐶𝑙2 + 𝐻𝐶𝑙 
𝐶6𝐻4𝐶𝑙2 + 𝐶𝑙2 → 𝐶6𝐻3𝐶𝑙3 + 𝐻𝐶𝑙 
BASE DE CÁLCULO: F4 = 100 mol 
Primero analizamos las cantidades en la corriente líquida 
Suponemos una cantidad másica en F4 que llamaremos m4 y usaremos la composición en peso: 
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
 
INGENIERÍA QUÍMICA, AMBIENTAL, ALIMENTOS Y PETROQUÍMICA 
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA – PRQ500 
DOCENTE: ING. MIGUEL VELASQUEZ 
AUXILIAR: UNIV. PAMELA ESPINAL P. 
F1 
C6H6 liq (A) 
F2 
(% en peso) 
98% Cl2 (B) 
2% Impurezas (PM=25,0) 
F3 (gas) 
HCl (C) 
Impurezas 
F4 (liq) 
(% en peso) 
65% C6H6 (A) 
32% C6H5Cl (D) 
2,5% C6H4Cl2 (E) 
0,5% C6H3Cl3 (F) 
 
 28/SEPT/2020 
𝑚4(𝑔) ∙
65 𝑔 𝐶6𝐻6
100 𝑔
∙
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻6
78 𝑔 𝐶6𝐻6
= 𝟖, 𝟑𝟑 × 𝟏𝟎−𝟑 ∙ 𝒎𝟒 [𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔𝑯𝟔] = 𝑭𝟒𝒙𝑨𝟒 
𝑚4(𝑔) ∙
32 𝑔 𝐶6𝐻5𝐶𝑙
100 𝑔
∙
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻5𝐶𝑙
112,5 𝑔 𝐶6𝐻5𝐶𝑙
= 𝟐, 𝟖𝟒 × 𝟏𝟎−𝟑 ∙ 𝒎𝟒 [𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔𝑯𝟓𝑪𝒍] = 𝑭𝟒𝒙𝑫𝟒 
𝑚4(𝑔) ∙
2,5 𝑔 𝐶6𝐻4𝐶𝑙2
100 𝑔
∙
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻4𝐶𝑙2
147 𝑔 𝐶6𝐻4𝐶𝑙2
= 𝟏, 𝟕 × 𝟏𝟎−𝟒 ∙ 𝒎𝟒 [𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔𝑯𝟒𝑪𝒍𝟐] = 𝑭𝟒𝒙𝑬𝟒 
𝑚4(𝑔) ∙
0,5 𝑔 𝐶6𝐻3𝐶𝑙3
100 𝑔
∙
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻3𝐶𝑙3
181,5 𝑔 𝐶6𝐻3𝐶𝑙3
= 𝟐, 𝟕𝟓 × 𝟏𝟎−𝟓 ∙ 𝒎𝟒 [𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟔𝑯𝟑𝑪𝒍𝟑] = 𝑭𝟒𝒙𝑭𝟒 
El flujo de moles en 4 
𝐹4 = 𝐹4𝑥𝐴4 + 𝐹4𝑥𝐷4 + 𝐹4𝑥𝐸4 + 𝐹4𝑥𝐹4 
𝐹4 = 100 = 8,33 × 10
−3 ∙ 𝑚4 + 2,84 × 10
−3 ∙ 𝑚4 + 1,7 × 10
−4 ∙ 𝑚4 + 2,75 × 10
−5 ∙ 𝑚4 
𝒎𝟒 = 𝟖𝟕𝟗𝟕 [𝒈] 
Hallamos el número de moles de cada componente: 
𝐹4𝑥𝐴4 = 8,33 × 10
−3 ∙ 8797 = 73,28 [𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻6] 
𝐹4𝑥𝐷4 = 2,84 × 10
−3 ∙ 8797 = 24,98 [𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻5𝐶𝑙] 
𝐹4𝑥𝐸4 = 1,7 × 10
−4 ∙ 8797 = 1,495 [𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻4𝐶𝑙2] 
𝐹4𝑥𝐹4 = 2,75 × 10
−5 ∙ 8797 = 0,24 [𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻3𝐶𝑙3] 
Analizamos las reacciones: 
primera reacción: 
𝐶6𝐻6 + 𝐶𝑙2 → 𝐶6𝐻5𝐶𝑙 + 𝐻𝐶𝑙 
 
 
segunda reacción: 
𝐶6𝐻5𝐶𝑙 + 𝐶𝑙2 → 𝐶6𝐻4𝐶𝑙2 + 𝐻𝐶𝑙 
 
 
tercera reacción: 
𝐶6𝐻4𝐶𝑙2 + 𝐶𝑙2 → 𝐶6𝐻3𝐶𝑙3 + 𝐻𝐶𝑙 
 
 
Los compuestos a la salida del reactor: 
 E) 𝐹1𝑥𝐴1 𝐹2𝑥𝐵2 
P o C) 𝑦 𝑦 𝑦 𝑦 
 S) 𝑭𝟏𝒙𝑨𝟏 − 𝒚 𝐹2𝑥𝐵2 − 𝑦 𝑦 𝑦 
 
(A) (B) (D) (C) 
 E) 𝑦 𝐹2𝑥𝐵2 − 𝑦 𝑦 
P o C) 𝑧 𝑧 𝑧 𝑧 
 S) 𝒚 − 𝒛 𝐹2𝑥𝐵2 − 𝑦 − 𝑧 𝑧 𝑦 + 𝑧 
 
(D) (B) (E) (C) 
 E) 𝑧 𝐹2𝑥𝐵2 − 𝑦 − 𝑧 𝑦 + 𝑧 
P o C) 𝑤 𝑤 𝑤 𝑤 
 S) 𝒛 − 𝒘 𝑭𝟐𝒙𝑩𝟐 − 𝒚 − 𝒛 − 𝒘 𝒘 𝒚 + 𝒛 + 𝒘 
 
(E) (B) (F) (C) 
 
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𝐹4𝑥𝐴4 = 𝐹1𝑥𝐴1 − 𝑦 = 73,28 
𝐹3𝑥𝐶3 = 𝑦 + 𝑧 + 𝑤 
𝐹4𝑥𝐷4 = 𝑦 − 𝑧 = 24,98 
𝐹4𝑥𝐸4 = 𝑧 − 𝑤 = 1,495 
𝐹4𝑥𝐹4 = 𝑤 = 0,24 
Para el caso del cloro, que se consume completamente: 
𝐹2𝑥𝐵2 − 𝑦 − 𝑧 − 𝑤 = 0 
Resolviendo las ecuaciones podemos hallar: 
𝑤 = 0,24 [𝑚𝑜𝑙] 
𝑧 = 1, 73 [𝑚𝑜𝑙] 
𝑦 = 26,72 [𝑚𝑜𝑙] 
𝐹1𝑥𝐴1 = 100 [𝑚𝑜𝑙] 
𝐹2𝑥𝐵2 = 28,69 [𝑚𝑜𝑙] 
RESPUESTA a) 
La conversión del benceno es respecto al producto que se quiere obtener, el cloro benceno: 
𝑥𝐴 =
𝑦
𝐹1𝑥𝐴1
=
26,72
100
 
𝒙𝑨 = 𝟎, 𝟐𝟕 
RESPUESTA b) 
Obtenemos el rendimiento referido al benceno alimentado 
𝜂 =
𝐹4𝑥𝐷4
𝐹1𝑥𝐴1
∙ 100% =
24,98
100
∙ 100% 
𝜼 = 𝟐𝟒, 𝟗𝟖% 
RESPUESTA c) 
Hallamos la masa de benceno en 1: 
𝐹1𝑥𝐴1 = 100[𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻6] ∙
78 𝑔 𝐶6𝐻6
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6𝐻6
= 7800 [𝑔 𝐶6𝐻6] = 𝑚1 
Hallamos la masa de cloro en 2: 
𝐹2𝑥𝐵2 = 28,69 [𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑙2] ∙
71 𝑔 𝐶𝑙2
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑙2
= 2036,99 [𝑔 𝐶𝑙2] 
Hallamos la masa total en 2 
 
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% 𝑚
𝑚⁄
=
𝑚𝐶𝑙2
𝑚2
∙ 100% 
98% =
2036,99
𝑚2
∙ 100% 
𝑚2 = 2078,56 [𝑔] 
Hallamos la relación de masa del gas de alimentación respecto del líquido de alimentación: 
𝑚2
𝑚1
=
2078,56
7800
 
𝒎𝟐
𝒎𝟏
= 𝟎, 𝟐𝟕 
2. El hidróxido de sodio por lo regular se produce a partir de sal común por electrolisis: 
𝑁𝑎𝐶𝑙 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑙2 + 𝐻2 + 𝑁𝑎𝑂𝐻 
Los elementos esenciales se muestran en la siguiente figura (% peso de producto). Calcular: 
a) El % de conversión de la sal en NaOH; b) ¿Cuánto Cl2 se obtiene por cada kg de producto?; c) 
¿Cuánta agua debe eliminarse en el evaporador por cada kg de producto? 
ELECTROLISISDISOLVEDOR EVAPORADOR
 
 
SOLUCION 
ELECTROLISISDISOLVEDOR EVAPORADOR
 
 
Hallamos los moles en F4: 
500 [𝑔 𝑁𝑎𝑂𝐻] ∙
1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻
40 𝑔 𝑁𝑎𝑂𝐻
= 12,5 [𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻] = 𝐹4𝑥𝐸4 
70 [𝑔 𝑁𝑎𝐶𝑙] ∙
1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝐶𝑙
58,5 𝑔 𝑁𝑎𝐶𝑙
= 1,2 [𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝐶𝑙] = 𝐹4𝑥𝐴4 
430 [𝑔 𝐻2𝑂] ∙
1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂
18 𝑔 𝐻2𝑂
= 23,89 [𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂] = 𝐹4𝑥𝐵4 
Sal 
Agua 
Producto 
50% NaOH 
7% NaCl 
43% H2O 
Disol. 
30% 
 
Cl2 
 
H2 H2O 
 
F1 
NaCl (A) 
H2O (B) 
F4 
1kg = 1000 g 
50% NaOH (E) 
7% NaCl (A) 
43% H2O (B) 
F2 
30% NaCl (A) 
70% H2O (B) 
 
F5 
Cl2 (C) 
 
F6 
H2 (D) 
F7 
H2O (B) 
 
F3 
NaOH (E) 
NaCl (A) 
H2O (B) 
 
 
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Realizamos balances en el evaporador: 
BP E: 
𝐹3𝑥𝐸3 = 𝐹4𝑥𝐸4 = 12,5 [𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻] 
BP A: 
𝐹3𝑥𝐴3 = 𝐹4𝑥𝐴4 = 1,2 [𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝐶𝑙] 
BP B: 
𝐹3𝑥𝐵3 = 𝐹4𝑥𝐵4 + 𝐹7𝑥𝐵7 (1) 
Analizamos la reacción química: 
𝑁𝑎𝐶𝑙 + 𝐻2𝑂 → 
1
2⁄ 𝐶𝑙2 + 
1
2⁄ 𝐻2 + 𝑁𝑎𝑂𝐻 
 
 
Los compuestos a la salida del reactor: 
𝐹3𝑥𝐴3 = 𝐹2𝑥𝐴2 − 𝑦 = 1,2 (2) 
𝐹3𝑥𝐵3 = 𝐹2𝑥𝐵2 − 𝑦 (3) 
𝐹5𝑥𝐶5 = 1/2𝑦 = 6,25 [𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑙2] 
𝐹6𝑥𝐷6 = 1/2𝑦 = 6,25 [𝑚𝑜𝑙 𝐻2] 
𝐹3𝑥𝐸3 = 𝑦 = 12,5 [𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻] 
En (2): 
𝐹2𝑥𝐴2 − 𝑦 = 1,2 
𝐹2𝑥𝐴2 − 12,5 = 1,2 
𝐹2𝑥𝐴2 = 13,7 [𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝐶𝑙] 
RESPUESTA a) 
El porcentaje de conversión de la sal en NaOH: 
𝑥𝐴 =
𝑦
𝐹2𝑥𝐴2
∙ 100% =
12,5
13,7
∙ 100% 
𝒙𝑨 = 𝟎, 𝟗𝟏 
RESPUESTA b) 
Convertimos los moles de Cl2 a gramos: 
12,5 [𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑙2] ∙
71 𝑔 𝐶𝑙2
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑙2
= 887,5 
𝒎𝑪𝒍𝟐 = 𝟖𝟖𝟕, 𝟓 [𝒈 𝑪𝒍𝟐] 
RESPUESTA c) 
Convertimos los moles de NaCl a gramos: 
 E) 𝐹2𝑥𝐴2𝐹2𝑥𝐵2 
P o C) 𝑦 𝑦 1/2 𝑦 1/2𝑦 𝑦 
 S) 𝐹2𝑥𝐴2 − 𝑦 𝐹2𝑥𝐵2 − 𝑦 1/2𝑦 1/2𝑦 𝑦 
 
(A) (B) (C) (D) (E) 
 
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𝐹2𝑥𝐴2 = 13,7 [𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝐶𝑙] ∙
58,5 𝑔 𝑁𝑎𝐶𝑙
1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝐶𝑙
= 801,45 [𝑔 𝑁𝑎𝐶𝑙] 
Según el diagrama, entendemos que en F2 es una solución al 30%, es decir 30% de soluto y el resto 
de disolvente: 
% 𝑚
𝑚⁄
=
𝑚𝑁𝑎𝐶𝑙
𝑚𝑇
∙ 100% 
30% =
𝑚𝑁𝑎𝐶𝑙
𝑚𝑁𝑎𝐶𝑙 + 𝑚𝐻2𝑂
∙ 100% 
30% =
801,45
801,45 + 𝑚𝐻2𝑂
∙ 100% 
𝑚𝐻2𝑂 = 1870, 05 [𝑔 𝐻2𝑂] 
Llevamos nuevamente a moles: 
𝑚𝐻2𝑂 = 1870,05 [𝑔 𝐻2𝑂] ∙
1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂
18 𝑔 𝐻2𝑂
= 103,89 [𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂] = 𝐹2𝑥𝐵2 
Reemplazamos en (3): 
𝐹3𝑥𝐵3 = 𝐹2𝑥𝐵2 − 𝑦 
𝐹3𝑥𝐵3 = 103,89 − 12,5 
𝐹3𝑥𝐵3 = 91,39 [𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂] 
Reemplazamos en (1): 
𝐹3𝑥𝐵3 = 𝐹4𝑥𝐵4 + 𝐹7𝑥𝐵7 
91,39 = 23,89 + 𝐹7𝑥𝐵7 
𝐹7𝑥𝐵7 = 67,5 [𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂] 
Convertimos a masa: 
𝐹7𝑥𝐵7 = 67,5 [𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂] ∙
18 𝑔 𝐻2𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂
= 1215,03 
𝒎𝑯𝟐𝑶 = 𝟏𝟐𝟏𝟓, 𝟎𝟑 [𝒈 𝑯𝟐𝑶] 
 
 
 
 
 
 
 
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3. El proceso que se muestra en la figura es la deshidrogenación de propano a propileno de 
acuerdo con la reacción: 𝐶3𝐻8 → 𝐶3𝐻6 + 𝐻2. La conversión de propano en propileno basada en 
el propano de alimentación al reactor en F1 es de 40%. La velocidad del flujo del producto C3H6 
en F4, es de 50 Kmol/h; a) Calcule todas las velocidades de flujo en Kmol/h; b) ¿Cuál es el 
porcentaje de conversión de propano en el reactor con base en el propano nuevo de 
alimentación al proceso F2? 
 
REACTOR ABSORCION
 
 
SOLUCION 
REACTOR ABSORCION
 
 
 
 
F4 
H2 
C3H6 
 
F3 
 
F2 
 
R, reciclaje 
80% C3H8 
80% C3H6 
 
F1, C3H8 
Alimentación 
 
F2 
C3H8 (A) 
C3H6 (B) 
 
R 
80% C3H8 (A) 
20% C3H6 (B) 
 
F1 
C3H8 (A) 
 
F3 
C3H8 (A) 
C3H6 (B) 
H2 (C) 
 
F4 
C3H6 (B) 
H2 (C) 
 
𝒙(𝑨)𝟏 = 𝟒𝟎% 
𝑭𝟒𝒙𝑩𝟒 = 𝟓𝟎 𝒌𝒎𝒐𝒍/𝒉