Como resolver un problema de química técnica paso a paso
Pasos a seguir:
1) Revisar el enunciado
2) Realizar un diagrama que nos ayude a visualizar las operaciones en bloques
3) Completar datos implícitos
4) Fijarnos en las reacciones químicas y ajustarlas
5) Seleccionar una base de cálculo
6) Analizar las ecuaciones
7) Repasar las operaciones y cuidar las unidades
8) Observar que el resultado es congruente
1)
Enunciado y datos:
| 1° | CO | 28 % |
| 2° | CO2 | 3,5 % |
| 3° | O2 | 0,5 % |
| 4° | N2 | 68 % |
| 100 % | ||
Aire: O2 20 % en exceso.
Rendimiento: 98 %.
Gas de coque 100 gramos.
2)
3)
El oxígeno reacciona con el monóxido de carbono ya que el dióxido no puede oxidarse más, el O2 no reacciona consigo mismo, ni con el nitrógeno:
CO + ½·O2 ⟶ CO2
Base de cálculo: 100 moles de gas de coque.
| n° moles | PM | n° gramos | |
| CO | 28 | 28 | 784 |
| CO2 | 3,5 | 44 | 154 |
| O2 | 0,5 | 32 | 16 |
| N2 | 68 | 28 | 1.917 |
| Total | 100 | 2.871 |
4)
Balance del O2: moles necesarios para la combustión de todo el CO = 14 moles (tenemos ya 0,5 moles). Necesitamos 13,5 moles de O2. El aire tiene un 20 % en exceso y la reacción es al 98 %. n° de moles de O2 suministrado por el aire = 13,5·1,20 = 16,2 moles.
n° de moles consumidos en la combustión: 0,98·28·0,5 = 13,7 moles.
Balance del C:
C en gas de coque 28 + 3,5 = 31,5 at-gr.
C en CO en productos 28·0,02 = 0,56 at-gr.
C en CO2 en productos 31,5 - 0,56 = 30,94 at-gr.
Balance del N2:
N2 en gas coque 68,0 moles
N2 en el aire 16,2·(79/21) + 68,0 = 128,9 moles
Moles que salen:
| CO | 0,56 moles | 15,7 gramos | 0,34 % |
| CO2 | 30,94 moles | 1.359 gramos | 18,92 % |
| O2 | 16,2 + 0,5 - 13,7 = 3 | 96 gramos | 1,84 % |
| N2 | 128,9 moles | 3.637 gramos | 78,9 % |
| Total | 5.107,7 gramos | 100 % |
2.871 gramos coque — 5.107,7 gramos gas combustión
100 gramos coque — x
X = 178 gramos de gas de combustión
5)
Falta detectar un componente: H2O (84,526 %)
Se producen dos reacciones:
CaO + H2O ⟶ Ca(OH)2
Na2CO3 + Ca(OH)2 ⟶ 2·NaOH + CaCO3
Si aparece Na2CO3 es porque no es completa la reacción al igual que el Ca(OH)2
| % | moles | PM | At-g Ca | At-g Na | At-g C | |
| CaCO3 | 13,48 | 0,1347 | 100,1 | 0,1347 | 0,1347 | |
| Ca(OH)2 | 0,28 | 0,00377 | 74,1 | 0,00377 | ||
| Na2CO3 | 0,61 | 0,00575 | 106,0 | 0,0115 | 0,00575 | |
| NaOH | 10,36 | 0,2590 | 40,0 | 0,2590 | ||
| H2O | 75,27 | 18,0 | ||||
| Total | 100,00 | 0,1385 | 0,2705 | 0,1405 |
Base de cálculo: 100 gramos de salida.
Cogemos 1 gramo de disolución acuosa:
| Gramos | PM | moles | At-g Na | At-g C | |
| NaOH | 0,00594 | 40 | 1,49·10-4 | 1,49·10-4 | |
| Na2CO3 | 0,1488 | 106 | 1,40·10-3 | 2,80·10-3 | 1,40·10-3 |
El elemento que sirve de unión entre la disolución y lo que obtenemos es el sodio, porque nos da más información ya que entra sólo por la vía de la disolución acuosa.
Balance del Na:
Masa cáustica: 0,2705 at-gr.
En 1 g de la disolución acuosa: 0,002957 at-gr.
Masa de la disolución acuosa:
| 1 g x | — 0,002957 — 0,2705 |
X = 91,50 g de dis. ac. b
La masa de cal que hemos metido: 100 - 91,50 = 8,50 g a
Vamos a estudiar el grado de impureza de la cal:
Balance del carbono:
En la masa cáustica: 0,1405 at-gr.
En la disolución acuosa: 0,001404·91,50 g = 0,1285 at-gr.
En la cal: 0,1405 - 0,1285 = 0,0120 at-gr.
Gramos de CaCO3 en la cal: 100·1·0,0120 = 1,20 gramos
Composición de la cal:
Masa de CaO + Ca(OH)2 = 8,50-1,20 = 7,30 gramos
Ca en el CaCO3 = C en el CaCO3 = 0,0120 at-gr.
Ca en la masa cáustica = 0,1385 at-gr
Ca en forma de cal viva + apagada: 0,1385 - 0,0120 = 0,1265 at-gr.
Suponiendo que toda la cal es viva: 0,1265·56,1 = 71,0 gramos
Esto no es verdad porque nos salen 7,3 gramos. Esto quiere decir que parte está en forma de cal apagada.
| 1 mol CaO 1 mol H2O 74,01 g Ca(OH)2 Z | — 74,01 gramos — 18 gramos — 18 g H2O — 0,2 g H2O |
Ca(OH)2 en la cal = 0,20·(74,1/18) = 0,82 gramos
7,30 - 0,82 = 6,48 g CaO
CaCO3 = 14,1 %; Ca(OH)2 = 9,6 %; CaO = 76,3 %;
CaO activo total = 0,1265 moles de Ca(OH)2
Na2CO3 en disolución 0,001404 moles de Na2CO3 (1gr)·91,5 = 0,1285 moles de Na2CO3
El reactivo limitante es la cal apagada. Exceso de Na2CO3 = 0,1285 - 0,1265 = 0,0020 moles.
| % en exceso = | 0,0020 | ·100 |
| 0,1265 |
% en exceso = 1,6 % de Na2CO3
El grado de conversión se hace sobre el reactivo limitante: La cal.
1° tabla: Ca(OH)2 0,00377 moles de cal apagada sin reaccionar. n° moles de CaO = 0,1265
| 100 - | 0,00377 | ·100 = 97 % |
| 0,1265 |
6)
El reactivo limitante no existe en los productos.
| % | kg | PM | kmol | Na(Kat) | S(Kat) | Cl(Kat) | |
| Na2SO4 | 91,48 | 0,9148 | 142,1 | 0,00644 | 0,01288 | 0,00644 | |
| NaHSO4 | 4,79 | 0,0479 | 120,1 | 0,000398 | 0,000398 | 0,000398 | |
| NaCl | 1,98 | 0,0198 | 58,5 | 0,000338 | 0,000338 | 0,000338 | |
| H2O | 1,35 | 0,0135 | 18 | ||||
| HCl | 0,40 | 0,0040 | 36,5 | 0,000110 | 0,000110 | ||
| 100 | 1 | 0,01362 | 0,00684 | 0,000448 |
Base de cálculo: 1.000 kg de NaCl
Torta de sal: 1 kg.
Dis. H2SO4: 1 kg.
| 0,01288 | ·100 = 94,5 % |
| 0,01362 |
Todo el sodio del Na2SO4 partido del total.
| Moles de NaCl = | 1.000 |
| 58,5 |
Moles de NaCl = 17,08 kmol de NaCl = 17,08 Kat Na.
| 1 kg "torta" x | — 0,01362 Kat Na. — 17,08 Kat Na |
x = 1.253 kg
En el caso del ácido el nexo es el azufre:
| 0,75 | = 0,00764 kmol de H2SO4 puro |
| 98 |
Kat de S: 0,00684·1.253 = 8,58 Kat en la torta.
Pero de la disolución ácida:
| 8,58 | = 1.123 kg |
| 0,00764 |
| 1 kg ácido y | — 0,00764 Kat de S — 8,58 Kat de S |
El agua se incorpora en una disolución al 75 % de H2O.
Balance del H2O:
| 1.123 kg disolución×0,25 100-0,75 % | = | Vapor + torta de sal 0,0135·1.253 = 17 kg |
7)
CH2 = CH2 + ½·O2 ⟶ CH2OCH2
CH2 = CH2 + 3·O2 ⟶ 2·CO2 + H2O
CH2 = CH2 + O2 ⟶
Base de cálculo: 100 kmol de gas residual.
Balance del N2: 0,79·Z = 81,0 ⟶ Z = 102,5 kmol
Balance del O2: 0,21·Z = ½·X + ½·W + 3,0 + 9,6
Balance del C: 2·Y = 2·X + 9,6 + 2·6,4
Balance del H2: 2·Y = 2·X + W + (2·6,4)
X = 8,25 kmol CH2OCH2
Y = 19,45 kmol CH2 = CH2
W = 9,6 kmol H2O
| X | ·100 = 42,4 % CH2 |
| Y |
CH2: reacciona.
| 6,4 | ·100 = 32,9 % CH2 |
| 19,5 |
CH2 no reacciona.
Autor: Javier Zuluaga.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)