balance de materia de procesos industriales (reacción quimica)

8/18/2019 Balance de Materia de Procesos Industriales (Reacción Quimica)

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BALANCE DE MATERIA O ENERGÍA DE PROCESOS INDUSTRIALES

Una reacción química es la manifestación de un cambio en la materia y la isla deun fenómeno químico. A su expresión gráfica se le da el nombre de ecuaciónquímica, en la cual, se expresan en la primera parte los reactivos y en la segunda

los productos de la reacción.

A + B + !

"eactivos #roductos

$n los Procesos Industriales Unitarios, por definición, se considera que intervienenreacciones químicas, a diferencia que en las Operaciones IndustrialesUnitarias%&rituración, molienda, tami'ado, me'clas, agitación, evaporación,cristali'ación, filtración, destilación, centrifugación(.

#ara )acer un balance de materia, o de energía, en #"*$* -!U&"A$,se )ace necesario conocer la reacción que se aplica para la obtención un productoo el consumo de alg/n reactante, indagación propia en estos procedimientos.

0abi1ndose definido la reacción, el siguiente paso a seguir es asegurar que eln/mero de átomos que ingresan al procedimiento es igual al n/mero que sale. $notras palabras, debe )acerse un balanceo de la ecuación química.

#ara equilibrar o balancear ecuaciones químicas, existen diversos m1todos. $ntodos, el ob2etivo que se persigue es que la ecuación química cumpla con la ley dela conservación de la materia. a metodología aplicada más sencilla es la del

3tanteo4

Balanceo de ecuaciones por el m!odo de Tan!eo

$l m1todo de tanteo consiste en observar que cada miembro de la ecuación setengan los átomos en la misma cantidad, recordando que en

• 0"*# )ay 5 0idrógenos 6 A'ufre y 7 *xígenos

• $0"*# )ay 68 0idrógenos 9 a'ufres y 58 *xígenos

#ara equilibrar ecuaciones, solo se agregan coe%icien!es a las fórmulas que lonecesiten, pero no se cambian los su&'ndices.

$2emplo: Balancear la siguiente ecuación

0"* + -"*$ 0-*(


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Aquí se aprecia que existen " 0idrógenos en el primer miembro %0"*(. #ara ello,con solo agregar un " al 0-*( queda balanceado el 0idrogeno.

0"* + -"*$" 0-*(

$l -itrógeno, tambi1n queda equilibrado, pues se tienen dos -itrógenos en elprimer miembro %-"*$( y dos -itrógenos en el segundo miembro %" 0-*((

Un*xígeno en el agua %0"*( y 9 *xígenos en el an)ídrido nítrico %- "*$( dan untotal de ; *xígenos. gual que en %" 0-*((

*tros e2emplos

0l +


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quema de muc)os plásticos. uando entra en contacto con el agua, forma ácidoclor)ídrico. &anto el cloruro de )idrógeno como el ácido clor)ídrico son corrosivos.

$l ácido clor)ídrico se utili'a sobre todo como ácido barato, fuerte y volátil. $l usomás conocido es el de desincrustante para eliminar residuos de cali'a: a* @. $n

esta aplicación se transforma el carbonato cálcico en cloruro cálcico, más solubley se liberan dióxido de carbono %*5( y agua:

a*@ + 5 0l al5 + *5 + 05*

$n química orgánica se aprovec)a el ácido clor)ídrico a veces en la síntesis decloruros orgánicos bien por sustitución de un grupo )idroxilo de un alco)ol o por adición del ácido clor)ídrico a un alqueno aunque a menudo estas reacciones notranscurren de una manera muy selectiva.

*tra importante aplicación del ácido clor)ídrico de alta calidad es en la

regeneración de resinas de intercambio iónico. $l intercambio catiónico sueleutili'arse para eliminar cationes como -a+ y a5+ de disoluciones acuosas,produciendo agua deminerali'ada.

-a+ es reempla'ado por 0@*+

a5+ es reempla'ado por 5 0@*+

$n la industria alimentaria se utili'a por e2emplo en la producción de la gelatinadisolviendo con ella la parte mineral de los )uesos.

$n metal/rgia a veces se utili'a para disolver la capa de óxido que recubre un

metal, previo a procesos como galvani'ado, extrusión, u otras t1cnicas.E-ercicio.$n el procesamiento de la sal para la fabricación de ácido clor)ídrico, secalientan en un )orno, el 05*7 y -al.$l gas 0l producido se retira de la me'claen reacción, se enfría y purifica, y luegose pasa a un absorbedor en donde se


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Torre de a&sorci+n/Cl

absorbe con agua para producir una soluciónal @5C en peso de 0l.#ara producir una tonelada de ácido clor)ídrico al @5C se cargan en el )orno 6898 lb de sal yD79 lb de ácido sulf/rico al 688C. a reacción se contin/a )asta completar elproceso. Una pequeEa parte del 0l formado se pierde en los gases que salen dela torre de absorción. os productos sólidos de la reacción se retiran del )orno yse venden como torta de sal. a( uál de los reactivos está en excesoF b( uál esel porcenta2e en exceso F c( Gu1 porcenta2e del 0l producido se pierde con losgases que salen del absorbedor F d( !eterminar la masa y la composición de latorta de sal producida por tonelada de ácido clor)ídrico. %&omar 6 ton H 5 888 lb(

-al + 0"*# H -a"*# + 0l

e balancea la ecuación

"-al + 0"*# H -a"*# + " 0l

• !e la table periódica se toman las masas de los diferentes átomos.

odio %-a(: 5@ g> loro %l(: @9 g> 0idrógeno %0(: 6 g> A'ufre %(: @5 g>

*xígeno %*(: 6; g

• on ellos se definen las masas de los reactantes y productos.

"-al: "%5@ g + @9 g( H 66; g0"*#: %5 x 6 g( + @5 g + %7 x 6; g( H DI g-a"*#: %5 x 5@ g( + @5 g + %7 x 6; g( H 675 g" 0l: "%6 g + @9 g( H J5 g


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• levándolos a la reacción, se tiene

"-al + 0"*# H -a"*# + " 0l 66; g DI g 675 g J5 g

• $stas cantidades másicas corresponden a las mínimas que intervienen y seproducen dentro del reactor. A)ora deben ser extrapoladas al procesoindustrial que se está anali'ando.e debe tener en cuenta que se producensólidos que se venden como torta de sal formados por ácido sulf/rico%0"*#( que no reacciona y sulfato de sodio %-a"*#( resultante de lareacción. Además el ácido clor)ídrico se absorbe sobre a,ua paraobtenerse una dilución del @5C. #or eso se anota que a los J5 g de ácidoclor)ídrico %@5C( le acompaEaran 0$( , de agua %;IC(.

"-al + 0"*# H -a"*# +%" 0l + A,ua de diluci+n(

66; g DI g 675 g %J5 g+0$( ,16898 lb D79 lb K65888 lb

• Análisis de posibilidades.

Caso 0. i la cantidad de cloruro de sodio %6898 lb( se consumiera en sutotalidad

0"*#H6898 lb x DI g L 66; g H IIJ.8J lb-a"*# H 6898 lb x 675 g L 66; g H 65I9.@7 lb0l al @5C H 6898 x %J5g +0$( ,( L 66; g H 58@;.;7 lb

$n este caso sobraría ácido sulf/rico %2#$ l& 3 445.65 l& 7 $4 l&(, lo queindica que es el producto en exceso. $l cloruro de sodio es el reactivolimitante pues es el que se consume en su totalidad y determina laproducción del proceso.

Caso ". i la cantidad de ácido sulf/rico %D79 lb( se consumiera en sutotalidad

-al H D79 lb x 66; g L DI g H 666I.9J lb-a"*#H D79 lb x 675 g L DI g H 6@;D.5I lb0l al @5C H D79 lb x %J5 g + 0$( ,( L DI g H 56;D.;7 lb

$n este caso no )abría suficiente cloruro de sodio para que se reali'ara lareacción en su totalidad. e requiere contar con una cantidad mayor a laque se estima entra en el proceso %0004.$5 l& 3 06$6 l& 7 84.$5l&(.

Caso (. uando la producción es la que se obtuvo en el proceso

-al H 5888 lb x 66; g L %J5 g + 0$( ,( H [email protected] lb0"*#H5888 lb x DI g L %J5 g + 0$( ,( H IJ6.66 lb


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-a"*# H 5888 lb x 675 g L %J5 g + 0$( ,( H65;5.55 lb$ste es la producción del proceso> 5888 lb de ácido clor)ídrico al @5C, quecontienen 8#6 l& de ácido y 0(86 l& de a,ua.Bien, el proceso en ning/n momento considera sobrantes de cloruro desodio, lo que implica que todo este reactante se )a consumido.

• aso 7. onsumo total del cloruro de sodio con producción de 5888 lb deácido clor)ídrico al @5C. e debe determinar la cantidad de ácido puro %sindiluir en agua, que se produ2o en el procesoal consumirse la totalidad delcloruro de sodio. a diferencia entre esta cantidad de ácido que se produ2oy la que contienen las 5888 lb de solución al @5C, será lo que se pierde enla torre de absorción.

0l H 6898 lb x J5 g L 66; g H ;96.J5 lb

A)ora, las p1rdidas corresponden a: ;96.J5 lb M ;78 lb H 66.J5 lb

&orta de al H ulfato de odio producido más sobrante de Ncido ulf/rico65I9.@7 lb + %D79 lb M IIJ.66 lb( H 655J.79 lb

-al 0"*# -a"*# " 0l +A,ua

dediluci+n

/Clperdid

o

Tor!ade sal

aso6

Si 06$6 IIJ.8J 65I9.@7 58@;.;7

aso5

666I.9J Si 2#$ 6@;D.5I 56;D.;7

aso@ [email protected] IJ6.66 65;5.55 Si "666 9 9

aso7

6898 IIJ.66 65I9.@7 5888 66.J5 655J.79

antidades en libras

$l reactivo en exceso es el Ncido ulf/rico que tiene un exceso de

D79 lb M IIJ.66 lb H 9J.ID lb

omo lo que realmente se necesitó fueron IIJ.66 lb, se considera que estacantidad es el 688C de lo requerido. Así,

IIJ.66 lb 688C9J.ID lb KC $xceso

C de $xceso H 9J.ID lb x 688 L IIJ.66 lb H ;.95C

balance de materia de procesos industriales (reacción quimica)

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