INTRODUCCIÓN A LA INGENIERIA

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1 BALANCES DE MATERIA EN PROCESOS CON REACCIÓN IWG101 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERIA

2 CONCEPTOS PREVIOS REACTIVOS EN PROPORCIONES ESTEQUIOMÉTRICAS aa + bb cc + dd Los coeficientes de una ecuación ajustada representan: el número relativo de moléculas que participan en una reacción el número relativo de moles participantes en dicha reacción. Por ejemplo en la ecuación ajustada siguiente: Cuántas moles de H 2 O se producirán en una reacción donde tenemos 1,57 moles de O 2, suponiendo que tenemos hidrógeno de sobra?

3 RELACIÓN ESTEQUIOMETRICA Calcula la masa de CO 2 producida al quemar 10 g de C 4 H 10. Determina en número de moles de butano Determina la relación estequiométrica entre el butano y el dióxido de carbono

4 REACTIVOS LIMITANTE Y EN EXCESO REACTIVO LIMITANTE Es el reactivo que se presenta en menor proporción que la estequiométrica. REACTIVO EXCESO Es el que está que se presenta en mayor proporción que la estequiométrica. Exceso = moles entrada molesteoricos molesteoricos

5 EJEMPLOS En la reacción 3NO 2 + H 2 O 2HNO 3 + NO, cuántos gramos de HNO 3 se pueden formar cuando se permite que reaccionen 1.00 g de NO 2 y 2.25 g de H 2 O? Qué masa de cloruro de plata se puede preparar a partir de la reacción de 4.22 g de nitrato de plata con 7.73 g de cloruro de aluminio? AgNO 3 + AlCl 3 Al(NO 3 ) 3 + AgCl El metal sodio reacciona con agua para dar hidróxido de sodio e hidrógeno gas: 2 Na(s) + 2 H 2 O(l) NaOH(aq) + H 2 (g) Si 10.0 g de sodio reaccionan con 8.75 g de agua: Cuál es el reactivo limitante?

6 EJEMPLO 1 El acetonitrilo se produce con la reacción de propileno, amoníaco y oxígeno, de acuerdo con la siguiente reacción: 3 C3H6 + NH3 + O2 C3H3N + 3H2O 2 El reactor es alimentado con 100 mol/h de una mezcla que contiene 10% en peso de propileno (C 3 H 6 ), 12 % en peso de amoniaco (NH 3 ) y 78% en peso de aire. Se alcanza una conversión del 30% del reactivo limitante. a) Cuál es el reactivo limitante. b) Cuál es el % en que los otros reactivos están en exceso. c) Cuales serán las velocidades de flujo molares de los productos.

7 CONVERSIÓN, RENDIMIENTO Y SELECTIVIDAD Conversión de un reactante: referida, si no se especifica, al reactivo limitante. Cuando el reactor tiene reciclo hay que distinguir entre conversión total, definida en términos de la alimentación fresca, y conversión por pasada del reactor, definida en términos de la alimentación total, incluyendo el reciclo. Conversión molesentrada molessalida molesentrada (%) = * 100 Rendimient o = Cantidaddeproducto Cantidaddereactanteinicial Selectivid ad= Cantidad de producto deseado Cantidad de producto no deseado SE DEBE ESPECIFICAR TANTO PARA EL RENDIMIENTO COMO PARA LA SELECTIVIDAD EL PRODUCTO Y EL REACTANTE.

8 BALANCES ELEMENTALES POR COMPONENTES BALANCES POR COMPONENTES REACCIONANTES, En este tipo de procesos en los cuales existe una reacción, se produce un reordenamiento de los átomos formando productos diferentes, por ello en el BALANCE no solo se deben incluir los flujos de entrada y salida, respectivos, sino que además los que se forma y/o desaparece a causa de la Reacción, Ri (velocidad de reacción). Para un sistema en EE, R = (Ws We) BALANCES ELEMENTALES i Los balances deben aplicarse a los elementos puros, átomos o moléculas, debido a ello se plantean en MOLES. i i

9 REACCIONES EN PROCESOS DE COMBUSTIÓN

10 EJEMPLO 2 Se queman con aire 100 Kg/h de carbón de la siguiente composición elemental (%p/p) C: 78, H: 4, S: 1,28 y el resto cenizas inertes. Todo el hidrógeno pasa a agua, todo el azufre a dióxido de azufre y todo el carbono a dióxido y monóxido de carbono. Los gases de salida están a 1 atmosfera y 200ºC y un análisis de los mismos suministró los siguientes resultados: CO 2 13,54 %v/v, CO 1,13 %v/v y una concentración de SO 2 de 1490 mg/m 3. Calcular: a) Caudal (m 3 /h) de gases a la salida b) Flujo (Kg/h) de aire a la entrada c) Porcentaje de exceso de oxígeno a la entrada

11 EJEMPLO 3 Una pirita de hierro tiene la siguiente composición en peso: Fe 40.0%; S 43.6%; 16.4% material mineral inerte. Esta pirita se quema con un 100% de exceso de aire sobre la cantidad requerida para quemar todo el hierro a Fe 2 O 3 y todo el azufre a SO 2. Supóngase que no se forma nada de SO 3 en el horno. Los gases formados pasan al convertidor, donde se oxida el 95% de SO 2 a SO 3. Calcular la composición de los gases que entraron y que abandonaron el convertidor. Aire 100% exceso Pirita 40% Fe 43.6% S Horno S+O 2 = SO 2 Fe 2 O 3 Convertidor 95% 4 Fe+3O 2 = 2SO 2 +O 2 = 2Fe 2 O 2SO 3 3