En una refinería se mezcla gas natural (92% metano y 8% etano), oxigeno impuro (97% oxígeno y 3% nitrógeno) y aire (79% nitrógeno y 21% oxigeno), para lo cual se utiliza un mezclador de gases, la mezcla resultante contiene 31.1% de oxígeno y 0.6% de etano. Considerando que ingresan al mezclador 200 Kg. de gas natural, realice:
a. Diagrama de del proceso
b. Calculo de balance de masa de corrientes y componentes.
Respuestas
Respuesta dada por:
7
- En la figura anexa se muestra el Diagrama de Proceso, donde se esquematiza el proceso.
- Inicialmente, se consiguen los moles de gas natural que entran al mezclador, sabiendo que el número de moles (n) es igual a la masa (m) entre el peso molecular (PM):
n = (m/PM)
- El gas natural(GN) es una mezcla de 92% de metano (CH₄) y 8% de etano (C₂H₆) por tanto, el peso molecular de la mezcla es igual a la fracción molar de cada compuesto por su peso molecular:
- PM CH₄ = 16 g/gmol; PMC₂H₆ = 30 g/gmol , XCH₄ = 0.92, XC₂H₆ = 0.08
PMGN = 0.92 x 16 + 0.08 x 30 = 17.12 g/gmol
- El número de moles de gas natural que entran al mezclador, es igual a:
n = 200 kg x (1000g/1kg)/17.12 g/gmol = 11682.24 gmol
- En el mezclador ocurren reacciones de combustión del gas natural al mezclarse con el oxigeno de acuerdo con las siguientes reacciones:
2 CH₄ + 4 O₂ → 2 CO₂ + 4 H₂O (1)
2 C₂H₆ + 8 O₂ →4 CO₂ + 6 H₂O + C₂H₂ + O₂ (2)
- La reacción (2) es incompleta ya que todo el etano que entra no se quema saliendo 0.6% de C₂H₆ del mezclador y sale un excedente de oxígeno de 31.1%
- Haciendo un balance de masa de cada componente que entra en el mezclador en la corriente 1 de gas natural, se tiene:
- Moles de CH₄ que entran = 0.92 x 11682.24 gmol = 10747.66 gmol
- Moles de C₂H₆ que entran = 0.08 x 11682.24 gmol = 934.58 gmol
- Para determinar los Moles de O₂ que reaccionan con CH₄ de la reacción (1) se sabe que se requieren 4 moles de O₂ para quemar 2 moles CH₄, como se tienen 10747.66 gmol de CH₄ en el gas de entrada, entonces:
Moles de O₂ requeridos con CH₄ = 10747.66 gmol x 4 gmol O₂/2 gmol CH₄
Moles de O₂ requeridos con CH₄ =21495.32 gmol
- Ahora, la cantidad de moles de C₂H₆ que se reaccionan del total que entran es el 99.94%, es decir:
Moles de C₂H₆ que reaccionan = 934.28 gmol x 0.994 = 928.97 gmol
- Y el número de moles que salen del mezclador sin reaccionar, será la diferencia entre lo que entra menos lo que reacciona:
Moles de C₂H₆ que salen del mezclador = 934.28 gmol - 928.97 gmol =
5.61 gmol
- Los moles de O₂ que se reaccionan con el C₂H₆, se determinan sabiendo que por cada 3 moles de C₂H₆ que reaccionan se requieren 8 moles de O₂, así que para reaccionar 928.97 gmol de C₂H₆ se requieren:
Moles de O₂ requeridos con C₂H₆ = 928.97 gmol x 8 gmol O₂/3 gmol C₂H₆
Moles de O₂ requeridos con C₂H₆ = 2477.25 gmol
- El total de moles requerido para quemar el gas natural, es igual a los moles de O₂ requeridos en la reacción 1 más los moles de O₂ requeridos en la reacción 2:
Moles total O₂ requeridos = 21495.32 gmol + 2477.25 gmol = 23972.57 gmol
- Haciendo Balance de Dióxido de Carbono (CO₂), se tiene:
- Los moles de CO₂ que se generan de la combustión de CH₄, se estiman a partir de la reacción 1:
Moles de CO₂ a partir de CH₄ = 10747.66 gmol CH₄ x 2 gmol CO₂/2 gmol CH₄ = 10747.66 gmol CO₂
- Los moles de CO₂ que se generan a partir de la combustión de C₂H₆, se determinan de la reacción 2:
Moles de CO₂ a partir de C₂H₆ = 928.97 gmol C₂H₆ x 4 gmol CO₂/ 3 gmol C₂H₆ = 1238.63 gmol CO₂
- El número de moles de CO₂ totales generados en las reacciones 1 y 2 que salen del mezclador, es igual a:
Moles de CO₂ totales que salen del mezclador = 10747.66 gmol + 1238.63 gmol = 11986.29 gmol de CO₂
- Haciendo Balance de Masa del agua formada en las reacciones 1 y 2, se tiene:
- Moles de H₂O formada a partir de CH₄ = 10747.66 gmol CH₄ x 4 gmol H₂O/2 gmol CH₄ = 21495.32 gmol H₂O
- Moles de H₂O formada a partir de C₂H₆ = 928.97 gmol C₂H₆ x6 gmol H₂O/ 2 gmol C₂H₆ = 1857.94 gmol H₂O
- Moles de H₂O Totales = 21495.32 gmol + 1857.94 gmol = 23353.26 gmol H₂O
- Los moles de exceso de O₂ que salen del mezclador representa el 31.1 % de la corriente 4, y los moles de C₂H₆ que no reaccionan representan el 0,6% de dicha corriente, por tanto los moles totales de la corriente 4, son:
Moles de la Corriente 4 = moles de C₂H₆ sin reaccionar + moles de O₂ en exceso + moles CO₂ ´Moles de H₂O
- Inicialmente, se consiguen los moles de gas natural que entran al mezclador, sabiendo que el número de moles (n) es igual a la masa (m) entre el peso molecular (PM):
n = (m/PM)
- El gas natural(GN) es una mezcla de 92% de metano (CH₄) y 8% de etano (C₂H₆) por tanto, el peso molecular de la mezcla es igual a la fracción molar de cada compuesto por su peso molecular:
- PM CH₄ = 16 g/gmol; PMC₂H₆ = 30 g/gmol , XCH₄ = 0.92, XC₂H₆ = 0.08
PMGN = 0.92 x 16 + 0.08 x 30 = 17.12 g/gmol
- El número de moles de gas natural que entran al mezclador, es igual a:
n = 200 kg x (1000g/1kg)/17.12 g/gmol = 11682.24 gmol
- En el mezclador ocurren reacciones de combustión del gas natural al mezclarse con el oxigeno de acuerdo con las siguientes reacciones:
2 CH₄ + 4 O₂ → 2 CO₂ + 4 H₂O (1)
2 C₂H₆ + 8 O₂ →4 CO₂ + 6 H₂O + C₂H₂ + O₂ (2)
- La reacción (2) es incompleta ya que todo el etano que entra no se quema saliendo 0.6% de C₂H₆ del mezclador y sale un excedente de oxígeno de 31.1%
- Haciendo un balance de masa de cada componente que entra en el mezclador en la corriente 1 de gas natural, se tiene:
- Moles de CH₄ que entran = 0.92 x 11682.24 gmol = 10747.66 gmol
- Moles de C₂H₆ que entran = 0.08 x 11682.24 gmol = 934.58 gmol
- Para determinar los Moles de O₂ que reaccionan con CH₄ de la reacción (1) se sabe que se requieren 4 moles de O₂ para quemar 2 moles CH₄, como se tienen 10747.66 gmol de CH₄ en el gas de entrada, entonces:
Moles de O₂ requeridos con CH₄ = 10747.66 gmol x 4 gmol O₂/2 gmol CH₄
Moles de O₂ requeridos con CH₄ =21495.32 gmol
- Ahora, la cantidad de moles de C₂H₆ que se reaccionan del total que entran es el 99.94%, es decir:
Moles de C₂H₆ que reaccionan = 934.28 gmol x 0.994 = 928.97 gmol
- Y el número de moles que salen del mezclador sin reaccionar, será la diferencia entre lo que entra menos lo que reacciona:
Moles de C₂H₆ que salen del mezclador = 934.28 gmol - 928.97 gmol =
5.61 gmol
- Los moles de O₂ que se reaccionan con el C₂H₆, se determinan sabiendo que por cada 3 moles de C₂H₆ que reaccionan se requieren 8 moles de O₂, así que para reaccionar 928.97 gmol de C₂H₆ se requieren:
Moles de O₂ requeridos con C₂H₆ = 928.97 gmol x 8 gmol O₂/3 gmol C₂H₆
Moles de O₂ requeridos con C₂H₆ = 2477.25 gmol
- El total de moles requerido para quemar el gas natural, es igual a los moles de O₂ requeridos en la reacción 1 más los moles de O₂ requeridos en la reacción 2:
Moles total O₂ requeridos = 21495.32 gmol + 2477.25 gmol = 23972.57 gmol
- Haciendo Balance de Dióxido de Carbono (CO₂), se tiene:
- Los moles de CO₂ que se generan de la combustión de CH₄, se estiman a partir de la reacción 1:
Moles de CO₂ a partir de CH₄ = 10747.66 gmol CH₄ x 2 gmol CO₂/2 gmol CH₄ = 10747.66 gmol CO₂
- Los moles de CO₂ que se generan a partir de la combustión de C₂H₆, se determinan de la reacción 2:
Moles de CO₂ a partir de C₂H₆ = 928.97 gmol C₂H₆ x 4 gmol CO₂/ 3 gmol C₂H₆ = 1238.63 gmol CO₂
- El número de moles de CO₂ totales generados en las reacciones 1 y 2 que salen del mezclador, es igual a:
Moles de CO₂ totales que salen del mezclador = 10747.66 gmol + 1238.63 gmol = 11986.29 gmol de CO₂
- Haciendo Balance de Masa del agua formada en las reacciones 1 y 2, se tiene:
- Moles de H₂O formada a partir de CH₄ = 10747.66 gmol CH₄ x 4 gmol H₂O/2 gmol CH₄ = 21495.32 gmol H₂O
- Moles de H₂O formada a partir de C₂H₆ = 928.97 gmol C₂H₆ x6 gmol H₂O/ 2 gmol C₂H₆ = 1857.94 gmol H₂O
- Moles de H₂O Totales = 21495.32 gmol + 1857.94 gmol = 23353.26 gmol H₂O
- Los moles de exceso de O₂ que salen del mezclador representa el 31.1 % de la corriente 4, y los moles de C₂H₆ que no reaccionan representan el 0,6% de dicha corriente, por tanto los moles totales de la corriente 4, son:
Moles de la Corriente 4 = moles de C₂H₆ sin reaccionar + moles de O₂ en exceso + moles CO₂ ´Moles de H₂O
Adjuntos:
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