balances de materia ii

2014 (Actualizacin 2015)

J.S.Ramrez-Navas 1

Procesos Industriales

Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD

Universidad Santiago de Cali

Cali Colombia

BM con Reaccin Qumica

Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD

Universidad Santiago de Cali

Cali Colombia

CONTENIDO

Procesos industriales

Contenido

Antecedentes

Balances de materia con reaccin qumica

Combustin

Bibliografa

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ANTECEDENTES


Antecedentes

La formulacin de las ecuaciones de balance por componentes que pueda tomar en cuenta los cambios que ocurren en un sistema con reaccin qumica, requiere un grado de sofisticacin cientfica considerablemente mayor.

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Antecedentes

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El estudiante debe tener conocer y comprender

Formulas moleculares de los compuestos qumicos,

Transformaciones qumicas en trminos de rearreglo de tomos,

Representacin de las reacciones qumicas mediante las ecuaciones estequiomtricas.

El aporte de John Dalton

Ley de proporciones constates Cuando una sustancia determinada se

combina para producir otra sustancia, siempre se combinan en las mismas proporciones

Ley de proporciones mltiples Cuando una sustancia se combina con

otra en ms de una proporcin, ests proporciones estn relacionadas entre s por nmeros enteros.

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John Dalton (1766 1844)

El aporte de Avogadro

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Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776 1856)

ley de Avogadro, volmenes iguales de gases distintos

bajo las mismas condiciones de presin y temperatura, contienen el mismo nmero de partculas

Nmero de Avogadro es el nmero de partculas elementales

en un mol de una sustancia cualquiera,

6,022 141 291023

ESTEQUIOMETRIA Y EC. QUMICA


Formula qumica

La frmula de un compuesto expresa el nmero y la clase de los tomos existentes en dicho compuesto

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Formula qumica

El peso molecular de una sustancia es igual a la suma de los pesos atmicos de los elementos que la componen

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La estequiometria

Se ocupa de la combinacin de elementos y compuestos.

Las relaciones que se obtienen de los coeficientes numricos de la ecuacin qumica son los cocientes estequiomtricos que nos permiten calcular los moles de una sustancia en relacin con los moles de otra sustancia que interviene en la ecuacin qumica

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La Ecuacin Qumica

Proporciona informacin cuantitativa y cualitativa indispensable para calcular las cantidades de sustancias que se combinan en un proceso qumico

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La Ecuacin Qumica

Un caso general de Ec. Qca sera:

a A + b B c C+ d D

Frmula Coeficientes

estequiomtricos

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La Ecuacin Qumica

La Ec Qca indica las relaciones estequiomtricas: 1 mol (no lbm ni kg) de heptano reacciona con 11 moles de oxgeno

para dar 7 moles de dixido de carbono y 8 moles de agua.

Estos moles pueden ser Ib mol, g mol, kg mol o cualquier otro tipo.

Se forma un mol de CO2 a partir de cada 1/7 mol de C7H16.

Adems, se forma 1 mol de H2O con cada 7/8 mol de CO2.

As, la ecuacin indica en trminos de moles (no de masa) las proporciones entre los reactivos y los productos.

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Ejemplo

Si 10 kg de C7H16 reaccionan por completo con la cantidad estequiomtrica de O2, cuntos kg de CO2 se obtendrn como producto?

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Resolucin

100kg 352kg 308kg 144kg .

Base de clculo: 10 kg de C7H16

R/. 30,8 kg CO2

27 16 2

7 16

308 kg CO10kg C H * 30,8 kg CO

100kg C H


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VELOCIDAD DE REACCIN


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Velocidad de reaccin

De acuerdo con el principio de conservacin de la materia en un sistema abierto en estado estable, ocurran o no reacciones qumicas debe existir un balance entre los flujos msicos (o molares) de entrada y salida al sistema para cada elemento.

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En el proceso de reaccin qumica ocurre un reordenamiento de los tomos y las molculas, formando compuestos moleculares diferentes, resulta obvio que no habr un balance entre los flujos msicos (o molares) de entrada y salida de cada sustancia en un sistema reaccionante.

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Cuando hay una reaccin qumica, los compuestos individuales que forman las corrientes cambian en cantidad, y aun pueden llegar a desaparecer mientras se crean otros.

En estos casos, el balance gira alrededor de la reaccin qumica


En presencia de reacciones qumicas ya no resulta valida la ecuacin de balance de materia por componente

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Masa entrante = Masa saliente

tomos entrantes = tomos salientes

Moles entrantes Moles salientes

2 2 3N 3H 2NH


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La diferencia entre los flujos de entrada y de salida Rs como la razn molar de produccin de la sustancia s

Donde: Fs = flujo msico de s, Ms = peso molecular de s, Ns = flujo molar de s

sal entsal ents s

s s s

s s

F FR N N

M M


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Ejemplo

En un proceso continuo de sntesis de amoniaco mediante la reaccin N2 + 3H2 2NH3, se alimentan al reactor cataltico 40 moles/h de H2 y 12 moles/h de N2, para obtener una corriente de salida de 8 moles/h de N2, 28 moles/h de H2 y 8 moles/h de NH3. Determinar las razones de produccin de cada sustancia.

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Resolucin

Datos:

Ent N2: 12 moles/h

H2: 40 moles/h

Sal N2: 8 moles/h

H2: 28 moles/h

NH3: 8 moles/h

Ecuacin estequiomtrica:

N2 + 3H2 2 NH3

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Resolucin

3 3 3

2 2 2

2 2 2

sal ent

NH NH NH

sal ent

N N N

sal ent

H H H

molR N N 8 0 8

h

molR N N 8 12 4

h

molR N N 28 40 12

h


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De acuerdo con las leyes de proporcionalidad de Dalton para una reaccin qumica dada, las razones de produccin o de consumo no son independientes sino que deben ser proporcionales entre si.

Las constantes de proporcionalidad las determinan los coeficientes estequiomtricos de las reacciones correspondientes.

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Ejemplo

N2 + 3H2 2NH3 Razones molares

Generalizando

3

2

NH

N

R 2

R 1

2

2

H

N

R 3

R 1 3

2

NH

H

R 2

R 3

3 2 2NH H N s

s

R R R R

2 3 1

Velocidad de la

reaccin qumica.


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En presencia de una reaccin qumica nica, en la que intervienen S sustancias, la razn de produccin de cualesquiera de estas sustancias es suficiente para determinar las razones de produccin de las S - 1 sustancias restantes.

Por lo tanto, las ecuaciones de balance de materia incluirn, adems de las variables de las corrientes, una variable independiente adicional, o sea la razn de produccin de una sustancia de referencia seleccionada.


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Se define la velocidad de reaccin r de cualquier reaccin dada mediante

Se asignara convencionalmente un signo negativo al coeficiente de los reactivos y un signa positivo al de los productos.

s

s

Rr


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s

s

Rr , s 1,...,S

s sR r

sal ent

s s sN N r

sal ent

s s s sF F M r

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Ejemplo

Considrense nuevamente las condiciones dadas en el ejemplo anterior, o sea se alimentan a un reactor 12, 40 y 0 moles/h de N2, H2 y NH3, respectivamente de acuerdo a la ecuacin N2 + 3H2 2 NH3. Si se especifica un flujo de salida de N2 de 8 moles/h, calcule los flujos de salida de las dems sustancias.

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Resolucin

Datos:

Ent

N2: 12 moles/h

H2: 40 moles/h

Sal

N2: 8 moles/h


N2 + 3H2 2 NH3

2N1

2H3

3NH2

2 2 2

sal ent

N N NN N r

8 12 1 r

molr 4

h

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Resolucin

2 2 2

2

2

sal ent

H H H

sal

H

sal

H

N N r

N 40 3 4

molN 28

h

3 3 3

3

3

sal ent

NH NH NH

sal

NH

sal

NH

N N r

N 40 2 4

molN 28

h

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Ejemplo

Considrense nuevamente las condiciones dadas en el ejemplo anterior, o sea se alimentan a un reactor 12, 40 y 0 moles/h de N2, H2 y NH3, respectivamente de acuerdo a la ecuacin 1/2N2 + 3/2H2 NH3. Si se especifica un flujo de salida de N2 de 8 moles/h, calcule los flujos de salida de las dems sustancias.


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Resolucin

Datos:

Ent

N2: 12 moles/h

H2: 40 moles/h

Sal

N2: 8 moles/h


1/2N2 + 3/2H2 NH3

2N

1

2

2H

3

2

3NH1

2 2 2

sal ent

N N NN N r

18 12 r

2

molr 8

h

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Resolucin

2 2 2

2

2

sal ent

H H H

sal

H

sal

H

N N r

3N 40 8

2

molN 28

h

3 3 3

3

3

sal ent

NH NH NH

sal

NH

sal

NH

N N r

N 0 1 8

molN 8

h

REACTIVO LIMITANTE Y CONVERSIN


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La Ecuacin Qumica

Reactivo limitante

Reactivo que en una reaccin qumica determinada, da a conocer o limita, la cantidad de producto formado, y provoca una concentracin especifica o limitante a la anterior.

Reactivos en exceso

El o los reactivos que se consumen parcialmente.

Rendimiento terico

La cantidad de producto que se obtiene cuando reacciona todo el reactivo limitante.

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Conversin fraccional

Una medida comn del progreso de una reaccin qumica es la conversin fraccional o simplemente la conversin de una sustancia

conocida la conversin siempre puede calcularse la velocidad de reaccin, y despus usar esta para completar los clculos de balance

ent sal

s ss ent

s

N NX

N

ent ent sal

s s s sN X N N

sal ent

s s sr N N

ent

s s

s

N Xr

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Ejemplo

Los procesos modernos para producir acido ntrico se basan en la oxidacin de amoniaco sintetizado por la reaccin de Haber. El primer paso en el proceso de oxidacin consiste de la reaccin de NH3 con O2 sobre un catalizador de platino, para producir oxido ntrico. La reaccin sigue la ecuacin estequiomtrica:

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O

Bajo un conjunto determinado de condiciones en el reactor, se obtiene una conversin de 90% de NH3, con una alimentacin de 40 moles/h de NH3 y 60 moles/h de O2 Calcule los flujos de salida del reactor para todos los componentes.


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Resolucin

Datos:

Ent

NH3: 40 moles/h

O2: 60 moles/h

XNH3: 90%


4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O

3NH4

2O5

NO 4

3 3

3

ent

NH NH

NH

N Xr

40 0,90r

4

molr 9

h

2H O6

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Resolucin

3 3 3

2 2 2

2 2 2

sal ent

NH NH NH

sal ent

O O O

sal ent

NO NO NO

sal ent

H O H O H O

molN N r 40 4 9 4

h

molN N r 60 5 9 15

h

molN N r 0 4 9 36

h

molN N r 0 6 9 54

h

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Conversin fraccional

El reactivo que presente el menor r ser el reactivo limitante:

ent

s

s

Nr

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Ejemplo

Considere la reaccin del ejemplo anterior y supngase que se obtiene una conversin del 80%, con alimentacin de una mezcla equimolar de amoniaco y oxigeno a razn de 100 moles/h. Calcule los flujos de salida de todos los componentes.

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O

Exceso

Limitante

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Resolucin

Datos:

Ent

NH3: 50 moles/h

O2: 50 moles/h

XNH3: 80%


4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O

3

3

ent

NH

NH

N 50r

4

2

2

ent

O

O

N 50r

5

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Resolucin

3 3 3

2 2 2

2 2 2

sal ent

NH NH NH

sal ent

O O O

sal ent

NO NO NO

sal ent

H O H O H O

molN N r 50 4 8 18

h

molN N r 50 5 8 10

h

molN N r 0 4 8 32

h

molN N r 0 6 8 48

h

2 2

2

ent

O O

O

X N 0,8 50 molr 8

5 h


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Ejemplo

En condiciones adecuadas se hacen reaccionar 184,8g de N2 con 38,4g de H2; se averigua:

a) Cul es el reactante limitante?,

b) Cuntos g de reactante en exceso sobran?,

c) Cuntos g de NH3 se producen?

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Resolucin

Datos:

N2: 184,8g

H2: 38,4g

Reactante limitante: g

m Reactante en exceso: x g

m NH3: x g


N2 + H2 NH3

Balanceo

N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g .

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Resolucin

a) Cul es el reactante limitante?

N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g

Exceso

Limitante

2

184,8gN 6,6

28g

2

38,4gH 6,4

6g

El concepto de reactivo limitante, permite a los qumicos asegurarse de que un reactivo, el ms costoso, sea completamente consumido en el transcurso

de una reaccin, aprovechndose as al mximo.

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Resolucin

b) Cuntos g de reactante en exceso sobran?

N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g

22 2

2

28gN38,4gH * 179,2gN

6gH

2

Exceso Total Reaccion

Exceso 184,8 179,2

Exceso 5,6gN

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Resolucin

c) Cuntos g de NH3 se producen?

N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g

3

2

2

3

34gNH38,4gH *

6gH

217,6gNHCOMBUSTIN



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Combustin

Gases de chimenea o gases residuales de la combustin

Todos los gases que resultan de un proceso de combustin, incluido el vapor de agua, a veces denominado en base hmeda.

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Combustin

Anlisis de Orsat o en base seca Todos los gases que resultan de un proceso de

combustin pero sin incluir el vapor de agua.

El anlisis de Orsat se refiere a un tipo de aparato para anlisis de gases en el que los volmenes de los gases respectivos se miden sobre agua, y en equilibrio con ella; por tanto, todos los componentes estn saturados con vapor de agua.

El resultado neto del anlisis se obtiene al eliminar el agua como componente.

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Combustin

Anlisis de Orsat o en base seca Todos los gases que resultan de un proceso de

combustin pero sin incluir el vapor de agua.

El anlisis de Orsat se refiere a un tipo de aparato para anlisis de gases en el que los volmenes de los gases respectivos se miden sobre agua, y en equilibrio con ella; por tanto, todos los componentes estn saturados con vapor de agua.

El resultado neto del anlisis se obtiene al eliminar el agua como componente.

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Combustin

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Aparato de Orsat

Patentado en 1873 por H Orsat

Combustin

Aire terico (u oxgeno terico)

La cantidad de aire (u oxgeno) que se debe introducir en el proceso para lograr la combustin completa.

Esta cantidad tambin se conoce como aire (u oxgeno) requerido

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Combustin

Aire, en exceso (u oxgeno en exceso) Cantidad de aire que entra en el proceso

de combustin en exceso de la requerida para la combustin completa.

La cantidad calculada de aire en exceso no depende de que tanto material se quema realmente, sino de lo que puede quemarse.

Incluso si slo hay una combustin parcial, como cuando C se quema para dar tanto CO como CO2 el aire (u oxgeno) en exceso se calcula como si el proceso de combustin produjera solo CO2.

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Combustin

El porcentaje de aire en exceso es idntico al porcentaje de O2 en exceso (y a menudo es un clculo ms cmodo):

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Aire en exceso

% aire en exceso = 100Aire requerido

22

O Exceso% aire en exceso = 100

O requerido

Combustin

Tambin:

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2 22

O entra - O requerido% aire en exceso = 100

O requerido

22 2

O en exceso% aire en exceso = 100

O entra - O en exceso

Combustin

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C

O2

CO2 Combustin

2 2C O CO

Acumulacin = Entra - Sale + Genera - Consume

O2 0 = 1 - 0 + 0 - 1

C = - + -

CO2 = - + -

Combustin

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2 2C O CO


O 0 = 2 - 2 + 0 - 0

C 0 = 1 - 1 + 0 - 0

Balance de moles


O 0 = 2(16) - 2(16) + 0 - 0

C 0 = 1(12) - 1(12) + 0 - 0

Balance de masa

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA


Bibliografa

Libros

FELDER, R.M. Y ROUSSEAU, R.W. Elementary Principles of Chemical Processes. 3 ed.: John Wiley & Sons, 2004. 702 p.

HENLEY, E.J.A., ROSEN, E.M. Y VZQUEZ, F.M. Clculo de balances de materia y energa: (mtodos manuales y empleo de mquinas calculadoras). Revert, 1973. 596 p.

HICKS, T.G., HICKS, S.D. Y LETO, J. Manual de clculos de ingeniera qumica. 3 ed.: McGraw-Hill, 1998. 1632 p.

HIMMELBLAU, D.M.A. Y GARCA, R.L.E. Principios bsicos y clculos en ingeniera qumica. 6 ed.: Prentice Hall : Pearson Educacin, 1997. 728 p.

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J.S.Ramrez-Navas 12

Bibliografa

Libros MCCABE, W.L. Y SMITH, J.C. Operaciones bsicas de ingeniera qumica.

Revert, 1981. 498 p.

OCN GARCA, J. Y TOJO BARREIRO, G. Problemas de ingeniera qumica: operaciones bsicas. Aguilar, 1986.

PERRY, R. Manual del Ingeniero Qumico. 7 ed. USA: McGraw-Hill, 1997.

REKLAITIS, G.V. Y SCHNEIDER, D.R. Balances de materia y energa. Interamericana, 1986. 649 p.

WATSON, H., HOUGEN, O.A., WATSON, K.M. Y RAGATZ, R.A. Principios de Los Procesos Qumicos. Reverte, Editorial S.A., 1982. 560 p.

Valiente, A. Tlacatzin, R.. Problemas de Balance de Materia y Energa. Alhambra Mcixana, 1991. 477p.

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balances de materia ii

Documents