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Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadasMML – Tecnológico Comfenalco II SEM-2010

BIBLIOGRAFIA-Principios básicos de los procesos químicos (Felder & Rousseau)-Principios básicos y cálculos en Ing. Química(Himmelblau)-Manual del Ingeniero Químico (Perry & Chilton)-Ingeniería de las reacciones Químicas (Levenspiel)-

CONTROL DE PROCESOS DE REACCIÓN


Intermitentes o de lotes (batch): Se carga la alimentación a un sistema (reactor, tanque) al inicio del proceso, eliminándose los productos de una sola vez algún tiempo después. Ejemplo: Agregar reactivos a un tanque y eliminar los productos y reactivos no consumidos algún tiempo después cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio.

CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS


Proceso Continuo : Las entradas y salidas fluyen continuamente durante todo el tiempo que permanezca el proceso en funcionamiento. Ejemplo: Bombear una mezcla de líquidos a una torre de destilación y eliminar uniformemente corrientes de líquido y vapor desde los extremos inferior y superior de la torre.



Proceso Semi-intermitente: Las entradas son casi instantáneas mientras que las salidas son continuas. Ejemplo: Permitir que el contenido de un recipiente que contiene gas a alta presión salga a la atmósfera.Mezclar lentamente varios líquidos dentro de un tanque del cual nada se está extrayendo.



Proceso Semi-intermitente : Las entradas son casi instantáneas mientras que las salidas son continuas. Ejemplo: Permitir que el contenido de un recipiente que contiene gas a alta presión salga a la atmósfera.Mezclar lentamente varios líquidos dentro de un tanque del cual nada se está extrayendo.



REGIMEN PERMANENTE : Los valores de todas las variables de proceso (temperatura, presiones, volúmenes, niveles, flujos) no sufren modificaciones a lo largo del tiempo, a excepción de posibles pequeñas fluctuaciones alrededor de valores medio constantes.



REGIMEN TRANSIENTE O TRANSITORIA: Alguna de las variables de proceso (temperatura, presiones, volúmenes, niveles, flujos) cambia su valor con el tiempo.Por su naturaleza, los procesos intermitentes o semi-intermitentes son operaciones en régimen transientes mientras que los procesos continuos pueden ser ya sea de régimen transitorio o permanente.



EJEMPLOS: 1. Se llena un globo con aire a un flujo másico de 2 gramos / minuto.2. Se saca una bolsa de leche de la nevera y se deja sobre la mesa de cocina3. Hervir el agua en una olla abierta en la cocina.



EJEMPLOS: 4. Se alimenta CO y Vapor de agua a un reactor

tubular a un flujo estable, los cuales reaccionan para formar CO2 y H2(g). Los productos y reactivos no consumidos se eliminan por otro extremo. El reactor contiene aire cuando inicia el proceso. La temperatura del reactor es constante y la composición y flujo de la corriente de entrada de reactivos también resulta independiente del tiempo; clasificar el proceso

a) Inicialmente.b) Luego de haber transcurrido un largo periodo de

tiempo.



ECUACION GENERAL DE BALANCE:

Entrada+Generación–Salida–Consumo = Acumulación.(entra a Producido Sale a Consumido Acum.Través de dentro del través de dentro del dentroLos límites sistema los límites sistema del Del sistema) sist.

BALANCES


ECUACION GENERAL DE BALANCE:

La masa ni se crea ni se destruye, sólo se transforma (no aplica a reacciones nucleares)

BALANCES


ECUACION GENERAL DE BALANCE:Cada año llegan 50000 personas a una ciudad mientras que la abandonan 60000. Nacen 22000 y mueren 19000. Formule un balance de la población de dicha ciudad. Use las unidades correspondientes.

R/ta: 50000+22000-60000-19000= -7000

BALANCES


TIPOS DE BALANCE:A) Balances diferenciales: Indican qué sucede en un sistema en un

instante dado. Cada término de la ecuación resulta en una velocidad. Aplica a procesos continuos.

B) Balances integrales: Se describe qué ocurre entre 2 instantes. Cada término de la ecuación resulta en una cantidad de la substancia medida. Aplica a procesos intermitentes.

Los términos de generación y consumo de una ecuación de balance resultan nulos si la cantidad sobre la cual se efectúa el balance no es un reactivo ni un producto en

Reacción.

BALANCES


El termino acumulación debe ser nulo, por qué?La ecuación se simplifica a:

Entrada + Generación = Salida + Consumo.

BALANCESBalances sobre procesos continuos en régimen

permanente.


Ejemplo:Se separan por destilación en dos fracciones, 1000Kg/h de una mezcla de benceno/tolueno que contiene50% de benceno en masa. El flujo másico de bencenoen la corriente superior es de 450 kg/h y de 475 Kg/hde tolueno en la corriente inferior.La operación es en régimen permanente. Formule balance para el benceno y el tolueno con el fin de calcular los flujos desconocidos


permanente.


Rta:Hay acumulación? Acumulación = 0Hay reacción química? Generación = 0


permanente.


TAREA:Se tiene dos mezclas de metanol-agua en recipientes

separados. La primera mezcla contiene 40% en peso de metanol, mientras que la segunda contiene 70% en peso de metanol. Si se combinan 200 gr de la primera mezcla con 150 gr de la segunda mezcla, cual será la masa final de producto? Cual será la cantidad de metanol en la masa final del producto?

Trate de deducir una comprobación del resultado.

BALANCESBalances integrales de proceso intermitente de

mezclado.


FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA

DIAGRAMAS DE FLUJO:Cuando uno recibe una descripción del proceso y debe

determinar alguna variable del proceso, es esencial la organización de la información obtenida de una forma conveniente para los cálculos subsiguientes.

La mejor forma de hacer esto es mediante la realización de un diagrama de flujo del proceso, utilizando rectángulos u otros símbolos para la representación de las unidades de proceso (reactores, mezcladores, torres, etc), y rectas con flechas para representar entradas y salidas.



SUGERENCIAS PARA ROTULAR UN DIAGRAMA DE FLUJO:1. Escribir los valores y unidades de todas las variables de las

corrientes en los sitios que corresponden a las corrientes del diagrama.

2. Asignar símbolos algebraicos a las variables desconocidas de las corrientes (Tales como Q kg de solución/min, x lbm de N2/lbm, etc) y escribir los nombres de estas variables y sus unidades asociadas sobre el diagrama.



BALANCE DE UN PROCESO.1. El número máximo de ecuaciones linealmente

independientes que pueden formularse a través de balances en un sistema sin reacción química equivale al número de especies químicas en las corrientes de entrada y salida.

2. Formular primero aquellos balances que involucran el menor número de incógnitas.



DELINEACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE BALANCES DE MASA.

1. Representar el problema en un diagrama de flujo y rotularlo con todos los valores de las variables conocidas.

2. Elegir como base de cálculo una cantidad o flujo de una de las corrientes de proceso.

3. Rotular las variables desconocidas en el diagrama4. Convertir volúmenes o flujos volumétricos conocidos a

cantidades másicas o molares, empleando densidades tabuladas o leyes de los gases.leyes de los gases.

5. Si el problema mezcla unidades másicas y molares en una corriente, convertir todas las cantidades a una base u otra (Usando el peso molecular de la sustancia)



DELINEACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE BALANCES DE MASA (Cont).

6. Si en el texto del problema se da alguna información que no se haya empleado en la rotulación del diagrama de flujo, traducirla a ecuaciones en las variables definidas en el punto 3.

7. Formular ecuaciones de balance de masa. Formular los balances siguiendo un orden tal que aquellos que involucran el menor número de incógnitas aparezcan en primer término.

8. Resolver las ecuaciones formuladas en las etapas 6 y 7 a fin de determinar las incógnitas. Cuando se ha calculado el valor de una incógnita colocar el mismo inmediatamente en el diagrama de flujo



DELINEACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE BALANCES DE MASA (Cont).

9. Si en el enunciado del problema se daba el valor de una cantidad de corriente o flujo Qg, y se empleó otro valor Qc

como base o se calculó para esta corriente, corregir la escala del proceso balanceado mediante el cociente Qg/Qc a fin de obtener el resultado final.



EJERCICIOS.1. Se alimentan 100 lb por minuto de una mezcla que contiene

60% de aceite y 40% de agua en masa a un sedimentador que opera a régimen permanente. Del sedimentador salen dos corrientes de producto: La superior contiene aceite puro, mientras que la inferior contiene 90% de agua en masa. Formular balances diferenciales para el agua y para la masa total a fin de calcular los flujos de las dos corrientes de producto.



EJERCICIOS.2.Una mezcla líquida de SLS y agua contiene 50% de SLS en

peso. Se vaporiza una porción de la mezcla obteniéndose un vapor que contiene SLS en un 60%; el resto del líquido contiene 37,5% de SLS en peso.

Suponer que el proceso ocurre en forma continua y en régimen permanente, con un flujo de alimentación de 100 kg/h. Formular y resolver balances diferenciales sobre la masa total y sobre el SLS a fin de determinar los flujos de vapor y de líquido en la salida.

Si el proceso se lleva a cabo en un recipiente cerrado, el cual contiene inicialmente 100 Kg de la mezcla de líquidos, formular y resolver balances integrales sobre la masa total y el SLS para determinar las cantidades de vapor y líquido.



EJERCICIOS.3. Se requieren 1250 Kg de una solución que contiene 12% en

peso de etanol en agua. Se cuenta con dos tanques de almacenamiento, el primero de los cuales contiene 5% de etanol en agua, mientras que el segundo contiene 25% de etanol en agua. Cuanto habría de utilizarse de cada una de las dos soluciones?

4. Las fresas contienen alrededor de 15% de sólidos y 85% de agua. Para fabricar mermeladas de fresa, se mezclan fresas trituradas y azúcar en una proporción de 45:55, calentándose la mezcla para evaporar agua hasta que el residuo contenga una tercera parte de agua. Cuantas libras de fresas se requieren para fabricar una libra de mermelada?



EJERCICIOS.5. Una mezcla de pinturas contiene 25% de un pigmento y el

resto de agua; se vende a US$6,0/Kg mientras que una mezcla que contiene 10% de pigmento se vende a US$3,5/Kg. Si un mayorista de pinturas produce una mezcla que contiene 15% de pigmento, cual debería ser el valor de la misma (US$/Kg a fin de obtener una utilidad del 10%?

6. Fluyen agua liquida y aire a un humidificador, en el cual el agua se evapora por completo. El aire entrante contiene 1% mol de agua (v), 20,8% de O2 y el resto de N2, mientras que el aire humidificado contiene 10% mol de agua. Calcular el flujo volumétrico (pies3/min) de líquido requerido a fin de humidificar 200 lb-mol/min de aire entrante.



4. BALANCES EN PROCESOS DE UNIDADES MULTIPLES.Qué es un sistema:?Es cualquier porción de un proceso que uno decide considerar:

Puede tratarse de un proceso entero, una combinación interconectada de algunas unidades de proceso, una única unidad, o un punto en el cual se encuentran dos o más corrientes



4. BALANCES EN PROCESOS DE UNIDADES MULTIPLES.Se definen trazando un rectángulo alrededor de la porción del

proceso en el diagrama de flujo, y considerando como entradas y salidas a todas aquellas corrientes que crucen el límite imaginario.

Cuando se eligen los subsistemas sobre los cuales se habrán de formular los balances, es posible simplificar los cálculos trazando límites que intersectan corrientes que contengan el menor número de variables desconocidas



5. RECIRCULACIÓN Y DERIVACIÓN.s

Reactor Separador



5. RECIRCULACIÓN Y DERIVACIÓN.4500 Kg/h de una solución que contiene 1/3 de K2CrO4 w/w, se une a

una corriente de recirculación que contiene 36,36% de K2CrO4 w/w, y la corriente combinada se alimenta a un evaporador. La corriente concentrada que abandona el evaporador contiene 49,4% de K2CrO4; se alimenta esta corriente a un cristalizador donde se enfría (precipitando cristales de K2CrO4) y luego se filtra.La torta obtenida consiste en cristales de K2CrO4 y estos forman el 95% de la masa total de la torta de filtrado. La solución (sin cristales) resultante del filtrado, contiene 36,36% de K2CrO4 w/w y parte de ella sale del proceso y parte de ella es la corriente de recirculación.

Calcular el peso del agua eliminada en el evaporador, la velocidad de producción de cristales de K2CrO4 y la proporción y los flujos que deben manejar el evaporador y cristalizador.



5. RECIRCULACIÓN Y DERIVACIÓN.SOLUCIÓN: A) Ps = 0,05 (Pc + Ps)B) Balance global para K (Cromato)C) Balance másico totalD) Balance másico sobre el cristalizadorE) Balance de agua sobre el cristalizador



6. BALANCES SOBRE SISTEMAS CON REACCIÓN QUIMICAEn balances de masa con reacción química se debe tener en

cuenta lo siguiente:- La Entrada no es igual a la salida. Incluye generación o

consumo- Se debe tener en cuenta la estequiometría de la reacción

antes de proceder con la formulación del balance.- Importante saber cual o cuales son los reactivos limitantes y

los reactivos en exceso.



6.1 ESTEQUIOMETRÍAEs la teoría de las proporciones en las que se combian entre sí

las especies químicas. La ecuación estequiométrica de una reacción química consiste en una afirmación acerca de la cantidad relativa de moléculas o moles de reactivos y productos que participan en la reacción. Ejemplo:

2 SO2 + O2 ------ 2SO3

Los números que preceden a las formulas para cada especie son los coeficientes estequiométricos de los componentes de la reacción.

Una ecuación estequiométrica debe estar balanceada para que sea válida.



6.2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO, CONVERSIÓN FRACCIONARIA

Reactivo Limitante: Es aquel que desaparece primero de la reacción si esta se completara.

Reactivo en exceso: Son los demás.Un reactivo es limitante si se encuentra presente en una

proporción menor que la estequiometría respecto de los otros reactivos. Si todos los reactivos se encuentran presentes en proporción estequiométrica , entonces ninguno es limitante (o lo son todos, depende del punto de vista en que se mire)




Ejemplo: 20 moles de Bromo por hora se unen a 25 moles de hidrógeno por hora para producir Acido bromhídrico. Cual es el reactivo limitante y en exceso? Cual es el % de exceso?




Las reacciones químicas no se llevan a cabo en forma instantánea, y muy a menudo ocurren en forma lenta. Por lo anterior, no todo los reactivos se convierten a producto, por lo que estos (los productos) normalmente salen con algo de reactivo y es por ello que se debe separar el reactivo y recircular al proceso.




Ejemplo:Se produce AcriloNitrilo por reacción del Propileno, amoníaco y oxígeno.C3H6 + NH3 + O2--- C3H3N + H2O Ecuación sin Balancear

2C3H6 + 2NH3 + 3O2--- 2C3H3N + 6H2O Ecuación Balanceada

La alimentación contiene 10% molar de propileno, 12% molar de amoníaco y 78% molar de aire.

a) Cual es el reactivo limitante? En qué % se encuentran los otros en exceso?

b) Calcular los Kgmol de C3H3N producidos por Kgmol de NH3, alimentados para una conversión del 30% del reactivo limitante?




Tarea:100 Kgmol de Etileno (C2H6) se oxida para producir Oxido de etileno.- Cual es el reactivo límite- Cual es el % de exceso del reactivo en exceso?- Si la reacción se completa cuanto de reactivo en exceso son habrá

reaccionado y cuanto C2H4O se habrá formado?- Si la reacción se lleva a cabo hasta un punto en que la conversión

fraccionaria del reactivo limitante es de 50%, ¿Cuánto de cada reactivo y producto se encuentra presente al final?

- Si la reacción procede hasta un punto en donde quedan 60 Kgmol de O2, ¿Cuál es la fracción de conversión del C2H4? ¿ Y la fracción de conversión del O2?

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