Por ejemplo: para la combustión del heptano: C H + 11O 7CO +8H O

Transcripción

1 I. BALANCES DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA EN FLUJO CONTINUO. Objetivo: El alumno calculará y diseñará balances de materia con reacción química, utilizando los conceptos básicos para la resolución de problemas, y representar e interpretar los diagramas de flujo en procesos industriales; de manera analítica y con software. Tema 1. Conceptos básicos I.2 Objetivo de aprendizaje: SABER: Definir reactivo en exceso, reactivo limitante, conversión, grado de conversión, selectividad, y rendimiento en una reacción. SABER HACER: Identificar los reactivos limitante y en exceso, calcular el porcentaje de exceso de los reactivos, el porcentaje de conversión y el rendimiento para una reacción química en la que los reactivos no están en proporciones estequiometrias, analíticamente y por medio de software. Estequiometría. En los reactores industriales casi nunca se usan reacciones estequiometrias de materiales. A fin de obligar que ocurra una reacción deseada o usar al máximo algún reactivo costoso, casi siempre se usan reactivos en exceso. Este material en exceso sale del reactor junto con los productos (que a veces se separa) y en algunos casos se puede utilizar nuevamente. Incluso si se emplean cantidades estequiometrias de reactivos, es muy posible que la reacción no se complete o que ocurran reacciones secundarias, de modo que los productos irán acompañados de reactivos no gastados, así como de productos secundarios. En estas circunstancias realizaremos algunas definiciones que posteriormente ocuparemos en los balances de materia con reacciones químicas. término de acuerdo con la ecuación química, este reactivo desaparecerá, entonces el reactivo que desaparece primero (se consume primero y al hacerlo la reacción se detiene) es el reactivo limitante. Por ejemplo: para la combustión del heptano: C H + 11O 7CO +8H O Si se mezcla 1 g mol de C 7 H 16 con 12 g mol de oxígeno, el heptano será el reactivo limitante. Una forma rápida para determinar cuál es el reactivo limitante es calculando los cocientes molares, por ejemplo: O2 C H 7 16 Relación en la alimentación > Relación en la ecuación química Dado que se alimenta una relación mayor de oxígeno, entonces este compuesto es el reactivo en exceso y por consecuencia el heptano es el reactivo limitante. Reactivo limitante. Es el que está presente en la cantidad estequiometria más pequeña, si se mezclan dos o más reactivos y la reacción se llevara a cabo hasta su Fuente: Himmelblau, D. M. (2002). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. México: Pearson Prentice Hall. 1

2 Si están presentes dos o más reactivos es conveniente usar un reactivo de referencia, por ejemplo, para la siguiente reacción: A+3B+2C Productos Si se alimentan las siguientes cantidades determinar cuál es el reactivo limitante: 1.1 moles de A. 3.2 moles de B 2.4 moles de C Usaremos A como sustancia de referencia: Relación en la Relación en la alimentación ecuación química B A 1. < 3 3 El reactivo B está en escases respecto al compuesto A. C A 1. > 2 2 El reactivo C está en exceso respecto al compuesto A. Entonces podemos afirmar que el reactivo limitante es el reactivo B. El reactivo A es limitante respecto a la cantidad que se alimenta de C. Entonces en cuestiones de cantidades podemos ordenar los compuestos de la siguiente forma: B<A<C. Reactivo en exceso Es un reactivo que está presente en exceso del reactivo limitante, el porcentaje en exceso de un reactivo se basa en la cantidad del reactivo en exceso por encima de la cantidad requerida para reaccionar con el reactivo limitante según la ecuación química, es decir: moles en exceso %En exceso = (100) moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante Donde los moles en exceso con frecuencia se pueden calcular como los moles totales disponibles de un reactivo menos los moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante, regresando a la reacción de combustión del heptano: C7H O2 7CO 2 +8H2O Volviendo a mezclar 1 g mol de C 7 H 16 con 12 g mol de oxígeno y aplicando la fórmula anterior: %En exceso = (100) = 9.1% 11 Entonces el oxígeno se encuentra 9.1% en exceso respecto al heptano alimentado. En las reacciones de combustión se usa comúnmente el término de aire en exceso se refiere a la cantidad de aire disponible para reaccionar que está en exceso del aire que en teoría se requiere para reaccionar por completo con el material combustible. La cantidad requerida de un reactivo la establece el reactivo limitante y pude calcularse para todos los demás reactivos de la ecuación química, incluso si solo una parte del reactivo limitante reacciona realmente, las cantidades requeridas y en exceso se basan en la cantidad total de reactivo limitante como si hubiera reaccionado por completo. Fuente: Himmelblau, D. M. (2002). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. México: Pearson Prentice Hall. 2

3 Los siguientes términos (conversión, selectividad y rendimiento) no tienen una definición precisa en las reacciones químicas, dado que no existen definiciones aceptadas universalmente, en este curso los definiremos como sigue: La conversión es la fracción de la alimentación o de algún material clave de la alimentación que se convierta en producto(s). El porcentaje de conversión es: moles (o masa) de alimentación (o un compuesto de ésta) que reaccionan x(100) % de conversión = moles (o masa) de alimentación (o un compuesto de ésta) que se alimentan La selectividad, es el cociente de los moles obtenidos de un producto determinado (usualmente el deseado) entre los moles de otro producto (usualmente el indeseado o el secundario) dentro de un conjunto de reacciones. Por ejemplo el metanol (CH 3 OH) se puede convertir en etileno (C 2 H 4 ) o propileo (C 3 H 6 ) mediante las reacciones siguientes: 2CH 3 OH C 2 H 4 + 2H 2 O 3CH 3 OH C 3 H 6 + 2H 2 O Desde luego para que el proceso resulte económico, los precios del metanol y propileo deben ser apropiados. Considerando los datos de concentración de los productos que se generan a partir del metanol. Suponga que en la reacción química: C H + 11O 7CO +8H O Por ejemplo si se alimentan 10 kilogramos de heptano y se forman 14.4kg de dióxido de carbono, determinar el porcentaje de conversión de heptano. Una opción es pasar todo a moles de heptano alimentado y consumido: 1kgmol C7H 16 n C7H16 alimentado=10kg = kgmolC 7H kg C7H16 1kgmol CO 2 1kgmolC7H 16 n consumido=14.4kgco = kgmolC H 44kg CO2 7kgmol CO2 C7H kmol C7H16 % de conversión = (100) = 46.8% kmol C7H16 RESPUESTA: el 46.8% de los 10 kilogramos de heptano se han consumido. Cuál es la selectividad del C 2 H 4 relativa al C 3 H 6 con una conversión del 80% del metanol (CH 3 OH)? Al leer la gráfica con una conversión del 80% tenemos aproximadamente: x C2H x C3H De modo que la selectividad 0.19/0.08 = 2.4 mol C 2 H 4 /mol C 3 H 6. RESPUESTA: se generan 2.4 gramos mol de C 2 H 4 por cada mol de C 3 H 6. Fuente: Himmelblau, D. M. (2002). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. México: Pearson Prentice Hall. 3

4 El rendimiento, para un solo reactivo y producto, es el peso (masa) o los moles del producto final divididos entre el peso (masa) o moles del reactivo inicial o clave (puede dividirse las libras del producto A entre las libras del producto B) alimentado o consumido. Si interviene más de un reactivo, debe especificarse el reactivo que se utiliza para calcular el rendimiento. Supongamos que tenemos la siguiente secuencia de reacciones: A B C Donde B es el producto deseado y C el no deseado. El rendimiento del producto B es la masa obtenida de éste producto dividida entre la masa consumida de A. Solución. A continuación colocamos los pesos moleculares necesarios para resolver este problema y los gramos mol de acuerdo a lo indicado en el problema. Componente kg Peso molecular G mol Sb 2 S Fe Sb FeS A continuación realizamos un dibujo del proceso: Los términos rendimiento y selectividad miden el grado en el que se lleva a cabo una reacción respecto a reacciones alternativas que compiten (o son indeseables). En el diseño de equipos se busca maximizar la producción del compuesto deseado y minimizar la obtención de los productos no deseados g mol Sb 2 S g mol Fe 1.64 g mol Sb FeS Ejemplo 1. Reacción incompleta. El antimonio se obtiene calentando la stibnita (Sb 2 S 3 ) pulverizada como chatarra de hierro, el antimonio (Sb) fundido se extrae del fondo del recipiente de reacción. Sb 2 S 3 + 3Fe 2Sb + 3FeS Si se calienta 0.6kg de stibnita con 0.25 kg de limaduras de hierro para producir 0.2 kg de antimonio. Determine: a) El reactivo limitante b) El porcentaje de reactivo en exceso c) El grado de conversión d) El porcentaje de conversión e) El rendimiento a) Reactivo limitante. Para determinar cual de los dos reactivos es el limitante: Relación en la Relación en la alimentación ecuación química Fe Sb S 1.77 = < Por lo tanto el hierro es el reactivo limitante y la stibnita es el reactivo en exceso. RESPUESTA: El reactivo limitante es el hierro (Fe) Fuente: Himmelblau, D. M. (2002). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. México: Pearson Prentice Hall. 4

5 b) El porcentaje del reactivo en exceso. El reactivo en exceso es Sb 2 S 3 y para calcular dicho porcentaje usaremos la ecuación: moles en exceso %En exceso = (100) moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante d) Porcentaje de conversión. En este caso no se especifica el compuesto de referencia, sin embargo la stibnita es el compuesto que contiene el elemento antimonio, el cual es el compuesto valioso que se busca calcular, por lo cual definiremos el porcentaje de conversión de la siguiente forma: Pero para calcular cuántos moles hay en exceso debemos determinar cuántos moles de stibnita son requeridos para consumir los 4.48 moles de hierro: moles de materia prima usados 1 gmol Sb S = 2 gmol Sb 2 3 =1.64 g mol Sb 0.82 gmolsb2s3 n Sb2S3 requeridos = 4.48 g mol Fe 1 g mol Sb2S3 n =4.48 g mol Fe = g mol Sb S 3 g mol Fe Sb2S3 2 3 Entonces: 1.77g mol gmol %En exceso = (100) = 18.8%de Sb2S 3 en exceso 1.49gmol RESPUESTA: Hay 18.8% de Stibnita (Sb 2 S 3 ) en exceso. c) Grado de conversión. Aun cuando el hierro (Fe) es el reactivo limitante, no necesariamente todo este reactivo reacciona o se consume. Para determinar cuánto hierro realmente reacciona usaremos la referencia de cuantos gramos mol de antimonio han sido producidos. 3 gmol Fe n Fe reaccionaron=1.64 gmol Sb = 2.46 gmol Fe 2 gmol Sb Entonces de todo el hierro que fue alimentado, solo reaccionó la siguiente fracción: moles del reactivo limitante consumidos 2.46gmol Fe Grado de conversión = = = 0.55 moles del reactivo 4.48gmol Fe limitante alimentados RESPUESTA: El grado de conversión es del 55% 0.82gmol Sb S 2 3 % de conversión Sb2S 3= (100) = 46.3% 1.77gmol Sb2S3 RESPUESTA: El porcentaje de conversión del Sb 2 S 3 en el producto valioso final Sb es de 46.3% e) El rendimiento. Será expresado como kilogramos de antimonio formado entre cada kilogramo de Stibnita alimentada a la reacción: 0.2 kg Sb kg Sb Rendimiento = = kg Sb2S3 kg Sb2S3 RESPUESTA: Se produce un tercio de kilogramo de antimonio por cada kilogramo de stibnita. Fuente: Himmelblau, D. M. (2002). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. México: Pearson Prentice Hall. 5

6 Actividad Resuelva los siguientes problemas. 1. Para 1 kilogramo de benceno (C 6 H 6 ) que se oxida con oxígeno, determine cuantos kilogramos de oxígeno se requieren para convertir todo el benceno en CO 2 y H 2 O? 2. La fabricación electrolítica de cloro gaseoso a partir de una disolución de cloruro de sodio tiene lugar según la siguiente reacción: 2NaCl + 2H 2 O 2NaOH + H 2 + Cl 2 Cuántos kilogramos de Cl2 podemos producir a partir de 10m3 de una disolución salina que contiene 5% en peso de cloruro de sodio? El peso específico relativo de la disolución con referencia al agua es de 1.07 a 4 C. Entregue el trabajo con las rúbricas de PRÁCTICAS DE EJERCICIOS, consulte la sección: Enviar el producto final a los 3 correos AL MISMO TIEMPO: marcelrzm@hotmail.com; marcelrz2002@yahoo.com.mx; marcelrzm@yahoo.com.mx; marcelusoacademico@hotmail.com Fuente: Himmelblau, D. M. (2002). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. México: Pearson Prentice Hall. 6