UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA. Ingeniería Química

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1 UIVERSIDAD ACIOAL EXPERIMETAL POLITECICA ATOIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMETO DE IGEIERÍA QUÍMICA Ingenería Químca Undad II. Balance de matera con reaccón químca Clase º6 Autor: Prof. Ing. Juan E. Rodríguez C

2 Undad II: Balance de Matera en Procesos Reactvos ÍDICE Qué es un reactor químco? Reaccón Químca Térmnos mportantes en las reaccones químcas Ecuacón de balance de matera con reaccón químca Métodos de resolucón de problemas Método de grado de avance de la reaccón Método de balance molecular Método de balance atómco Ejerccos propuestos para esta clase

3 A + B C F 1 F Una sola etapa F Múltples etapas Atrás

4 RECORDEMOS Reaccón Químca: Es un proceso en el cual una sustanca o varas sustancas (elementos o compuestos) denomnados reactvos, sufren una transformacón o combnacón para formar una ó más nuevas sustancas. Reactvos Productos La estructura de las reaccones químcas vene dada por: EJEMPLO: aa bb cc dd ( g ) ( g ) ( g ) ( l) + + CH 4 + O CO + H O Informacón Cualtatva Informacón Cuanttatva Los coefcentes estequométrcos nos srven para plantear factores de conversón que relaconan las cantdades de los dferentes compuestos que partcpan en la reaccón. A nvel molecular (MICROSCÓPICO): CH 4 + O CO + H O 1 MOLÉCULA de Metano MOLÉCULAS de Oxígeno 1 MOLÉCULA de Dóxdo de Carbono MOLÉCULAS de Agua Atrás 4

5 A nvel molecular (MACROSCÓPICO): (undades máscas) CH 4 + O CO + H O 16 gramos de Metano 64 gramos de Oxígeno 44 gramos de Dóxdo de Carbono Térmnos Importantes Reactvo Lmtante: Es aquel reactvo que se consumría en su totaldad s la reaccón procedera hasta un 100%, se encuentra en menor proporcón estequométrca, y se determna fáclmente encontrando la Proporcón Relatva de todos los reactvos en el proceso de la sguente forma: Moles del Reactvo PR Coefcent e Estequometrco del Reactvo 6 gramos de Agua *****el reactvo que tenga menor PR será el reactvo lmtante**** Reactvo en Exceso: Es aquel reactvo que se encuentra en una proporcón mayor que la estequométrca, con respecto al reactvo lmtante. Proporcón Estequométrca: Es cuando las cantdades molares (moles, Kmoles, lb-moles, ton-moles entre otras) de dos o más reactvos se encuentran en la msma proporcón relatva en la que éstos reacconan (obtenda a partr de la reaccón químca). En este caso todos estos reactvos tenen la msma Proporcón relatva (PR) y no hay reactvo lmtante (ó todos son reactvos lmtantes). 5

6 Ejemplo: Sea la reaccón: Balance de Matera con reaccón químca A + B C + D S tenemos: 100 moles de A y 00 moles de B. Determne el Reactvo Lmtante. Solucón: 1º Método.- Partmos de cualquera de las dos cantdades ncales. mol B 1mol A 100 mol A* 00 mol B Ó 00 mol B* 150 mol A 1mol A mol B En ambos casos, comparando con los moles ncales, tenemos que R.L es el A. º Método.- Es un método rápdo, y consste en calcular los coefcentes molares de los reactvos y compararlos con los coefcentes de los reactvos en la ecuacón químca. Relacón de Almentacón Relacón Ec. Químca A 100 mol A 1mol 0, < 0,5 B 00 mol B mol Como la relacón de almentacón es menor (<) que la relacón por medo de la ec. químca, tenemos que el R.L es el A. OTA.- En el caso en que en una reaccón químca, exsta mas de tres reactvos, el calculo de los coefcentes molares de los reactvos es entre cada uno de ellos y compararlos con los relatvos a los coefcentes de los reactvos en la ecuacón químca. Y el R.L será el que en su totaldad sea 6 menor.

7 CH 4 + O CO + H O Cantdades de Reactvos Lmtante Exceso 100 mol 00 mol CH 4 y O nguno 100 mol 00 mol CH 4 O 00 mol teórco 150 mol 00 mol O 100 mol CH 4 teórco Grado de Conversón: Es la fraccón de la almentacón o de algún materal en la almentacón, que se converte en producto, se puede expresar de la forma sguente: Fraccón de Conversón Porcentaje de Conversón Moles del Reactvo Moles del Reactvo Moles del Reactvo Moles del Reactvo Consumdos Almentados Consumdos *100% Almentados Cantdad Teórca: Es la cantdad necesara de un reactvo para hacer que reaccone (se consuma) todo el reactvo lmtante en la reaccón prncpal. Se calcula a través de la relacón estequométrca proporconada por la reaccón químca. o depende del Grado de Conversón ó s exsten reaccones secundaras. 7

8 Porcentaje en Exceso: Es la relacón entre la cantdad en exceso de un reactvo y la cantdad teórca de ese reactvo multplcada por 100. % en exceso Cantdad ALIMETADAde - Cantdad TEORICA de Cantdad TEORICA de *100% Rendmento: Es la relacón entre los moles formados de un producto y los que se formarían teórcamente, a través de la expresón: Rendmento moles formados del producto deseado Moles que se formarían s no hubera reaccones adyacentes y s el reactvo lmtante reacconara completamente Selectvdad: Es el cocente de los moles obtendos de un producto determnado (usualmente el deseado) entre los moles de otro producto (por lo regular ndeseable o secundaro) obtendo en un conjunto de reaccones. Selectvdad A B moles moles producto A prncpal producto B secundaro Atrás 8

9 Balance de matera sn Reaccón Químca Consderacones en el Balance de Matera de forma Molar ETRADAS COSUMOS + FORMACIOES SALIDAS ACUMULACIOES = 0 S el proceso es en Estado Estaconaro 0 ETRADAS COSUMOS + FORMACIOES SALIDAS ACUMULACIOES = 0 Entonces, se tene: ETRADAS COSUMOS + FORMACIOES SALIDAS = 0 S ocurren reaccones químcas, entonces: Resultando entonces la ecuacón: ETRADAS COSUMOS + FORMACIOES = SALIDAS Atrás 9

10 Métodos de resolucón de problemas con reaccón químca Balances Moleculares Grado de avance de la reaccón Balances Atómcos Balances Moleculares: Se plantean los Balances de Matera para cada componente consderando cada uno de los térmnos de la Ecuacón General de Balance de Matera ( E + G C S = A). Los térmnos Generacón y Consumo se obtenen a partr del Grado de Conversón y las relacones estequométrcas proporconadas por la Reaccón Químca. Grado de Avance de la Reaccón (): Se defne el grado de avance como una relacón de los moles consumdos en la reaccón. Balances Atómcos (ó elemental): Se realzan Balances de los átomos que consttuyen los compuestos que partcpan en el proceso. 10

11 Ejemplo: Balance de Matera con reaccón químca Sea la reaccón: + H H Balances Moleculares: Se pueden realzar balances de Matera: (Un Balance para cada componentes:, H y H ). Balances Atómcos: Ya que los átomos no se Generan n se Consumen. Entonces, se pueden realzar balances de Matera ( e H). Grado de Avance de la Reaccón (): Sean los moles de trógeno gaseoso consumdos en el proceso y (n ) 0, (n H ) 0 : los moles ncales de trógeno gaseoso e Hdrógeno gaseoso respectvamente. Al salr del proceso se obtenen (n H ) f moles de Amoníaco y quedan (n ) f y (n H ) f moles trógeno gaseoso e Hdrógeno gaseoso respectvamente. Según la reaccón químca tenemos: + H H Moles Incales (n ) o (n H ) o (n H ) o Moles Consumdos α α Moles Formados α Moles Fnales (n ) o α (n H ) o α α Conocendo el valor de "" se susttuye en las ecuacones de Balance y se resuelve el problema, aplcando la estequometría correspondente. Recuerde: Los coefcentes que se encuentran delante del "", corresponden a los coefcentes estequométrcos de la reaccón químca. S exsten más de una reaccón, entonces se le asgnaran sub-índces a los "". Ejemplo 1,, 11

12 Ejercco: Se almentan 100 mol/h de trógeno y 400 mol/h de Hdrógeno, además la conversón del R.L es de 99%. a) Determne los grados de lbertad en el reactor. b) La composcón molar a la salda del reactor en funcón de Grado de avance de la reaccón, c) La composcón molar a la salda del reactor en funcón del Balance molecular d) La composcón molar a la salda del reactor en funcón del Balance atómco Solucón: ) Dbujamos y etquetamos F 1 F Reactor =100 mol H =400 mol Conv: 99% : H : H : ) Escrbmos la reaccón químca + H H a) Determnamos los grados de lbertad en el reactor Item Reactor º de flujos ndependentes 5 º de reaccones químcas 1 º de varables 6 º de flujos conocdos º de balances ndependentes º de composcones ndependentes conocdas 0 º de relacones sumnstradas 1 º de restrccones 6 º de Grados de Lbertad 0 1

13 ) Determnamos el R.L, a través del método de proporcones relatvas P.R y P.R H 1, 1 La menor P.R es el R.L. En este caso es el b) Determnamos la composcón molar a la salda del reactor usando GRADO DE AVACE (α) Ahora, realzamos el cuadro correspondente al método E C F S 100 -α α H 400 -α α H α α Total 500-4α +α 500-α Luego, calculamos el valor de α (α puede ser determnado a través del consumo de, o consumo de H, o la formacón de H ). Para efecto de este ejemplo, sea α, los moles formados de H n n H H α mol 100 mol *conv 198,0 mol *R.E mol H *0,99* 1mol 99,0 mol,h α 198,0 mol H α 1

14 Así pues, susttuyendo este valor en las expresones de la evolucón del sstema, se puede determnar los valores de los flujos ndvduales a la salda del reactor y luego su composcón: n 100 α mol n n H (Fnales) (Fnales) 400 α 400 *99 10 mol H H (Fnales) Composcones: 1mol, mol Y α * mol H, Y H, 0, mol 198 mol Y H, 0, mol 0 mol Atrás c) Para el método de BALACES MOLECULARES, se consdera nuevamente cada uno de los compuestos o sustancas partcpantes en el proceso, hacendo uso de la estequometría y los balances de matera (moles). De la forma: 0 Para el trógeno (E C + F = S) F 1,1 F 1 *Conv 100mol 100mol* 0,99,1 F F,, F, 1,0 mol De esta forma solo para el reactvo lmtante 14

15 0 De esta forma para Para el Hdrógeno (E C + F = S) las demás especes mol H F1 H,1 F1,1 *Conv* F H, 1mol mol 400mol 100mol*0,99* 1mol mol H 100mol*0,99* 1mol F H F 0 0 Para el Amonaco (E C + F = S) mol H F1,1 *Conv* F 1mol Composcones: 1mol, mol Y H, H, H, F, Y H, 0, 4106 F H, H, 10,0 mol 198,0 mol De esta forma para las demás especes 10 mol 198 mol Y H, 0, mol 0 mol Atrás 15

16 d) Para el método de BALACES ATÓMICOS, se consdera cada uno de los elementos que partcpan en el proceso, para este ejemplo, son solo el trógeno () y el Hdrogeno (H). De la forma: F 1 F Reactor n 1 (100 mol ) n (400 mol H ) Conv: 99% Para el trógeno mol n 1 mol * n mol * n5 mol H 1mol 1mol *100 mol *n n (moles de ) n 4 (moles de H ) n 5 (moles de H ) n 5 mol 00 mol *n n 5 1mol * 1mol H Resolvendo Para el Hdrogeno mol H n molh * n 4 molh * n5 mol H 1mol H 1mol H *400 mol *n 4 *n 5 mol H 800 mol *n 4 *n mol H * 1mol H 5 Resolvendo En estos momentos, se tenen ecuacones con ncógntas (n, n 4 y n 5 ). Para que el sstema, tenga solucón, hace falta o ben otra ecuacón que me relacone las ncógntas, o en su efecto determnar el valor de n 5 e r susttuyendo y resolvendo 16

17 Calculamos el valor de n n n H H mol 100 mol Balance de Matera con reaccón químca *conv H *R.E,H mol H *0,99* 1mol 198,0 mol H Fnalmente, resolvendo las ecuacones en el sstema n 00 mol *n n5 00 mol *n 198 mol n 5 1mol 800 mol *n *n5 800 mol *n 4 *198 mol n 4 Composcones: 1mol, mol Y 4, Y H, 0, ,0 mol 10 mol 198 mol Y H, 0, mol 0 mol Se comprobó por medo de los tres métodos, que se obtuveron los msmos resultados Atrás 17

18 Ejerccos propuestos: 1) Se almentan a un reactor 0 moles de una sustanca A, 15 moles de una sustanca B y 18 moles de una sustanca C, las cuales reacconan de acuerdo a la sguente ecuacón químca: A + B + C D + 4E Determne: a) Cual es el reactvo lmtante? b) Porcentaje en exceso de los otros reactvos c) Máxma cantdad de producto D que puede formarse d) Cantdad formada realmente de D s la conversón es de 45% ) Se tene un Horno en que se lleva a cabo la sguente reaccón: Fe O (S) + C (S) Fe (S) + CO (g) Se mezcla 1000 Lbm de carbón (Coque) con 000 Lbm de Óxdo de Herro (III). Reaccona el 85% del reactvo lmtante. Realce: a) Dagrama de flujo del proceso b) El análss de los GRADOS DE LIBERTAD y c) Encuentre la composcón y el flujo másco de las correntes sólda y gaseosa que salen del proceso. ) Se lleva a cabo la deshdrogenacón de etano en un reactor contnuo en estado estaconaro. Se almenta al reactor 100 Kmol/h de etano. La velocdad de flujo molar de H en la corrente del producto es de 40 Kmol/h. Calcular: a) Los flujos molares de etano y etleno a la salda medante grado de avance 18

19 Balance de Matera en Procesos de Múltples Etapas Lo que debe haberse aprenddo en esta clase Haber repasado térmnos anterormente vstos como reaccón químca, reactvo lmtante, reactvo en exceso, rendmento, entre otros Haber aprenddo como determnar el reactvo lmtante, por medo del método de proporcón relatva Haber aprenddo nuevos conceptos como % de conversón, selectvdad, % en exceso Haber aprenddo y reflexonado sobre el abordaje y las formas de resolucón de balance de matera en los que ntervenen reaccones, a través de balance molecular, grado de avance de la reaccón y balance atómco Balance de matera con reaccón químca Ejerccos propuesto para esta clase: Hmmelblau (6º Edcón) Felder (º Edcón) CAP Problemas CAP Problemas Una etapa con reaccón Atrás 19