BALANCES DE MATERIA CON REACCIONES QUÍMICAS El balance de materia no tiene la forma “entrada = salida” ya que debe contener un término de producción o de consumo en base a la estequiometria, la estequiometria, estudia estudia las proporciones en las que se combinan unas sustancias con otras.
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 = 1Al2(SO4)3 + 6 H2O Los coeficientes estequiométricos son 2, 3, 1 y 6. Al cocie cocient nte e entr entre e dos coef coefic icien iente tess este estequ quiom iomét étri rico coss de una misma ecuación se le denomina cociente se usan usan como como fact actores ores de con conver versión sión estequiométrico, se par para calcu alcula larr canti antida dade dess consu onsumi mida dass de react eactan anttes o producidas de productos.
Reactivo limitante.- Si uno de los reactivos se suministra en menor cantidad a la estequiométrica mientras los demás se suministran en las cantidades estequiométricas, aquel se consume primero y se conoce como reactivo limitante 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 = 1Al2(SO4)3 + 6 H2O
Ej. Si se introducen 2 moles de Al(OH) 3 y 2 moles de H 2SO4, se formarán 2/3 de Al2(SO4)3 y nos queda en exceso 2/3 de Al(OH)3 , lo que indica que el H2SO4 es el reactivo limitante, mientras que el reactivo que se encuentra en exceso es el Al(OH)3 .
Reactivo en Exceso.- Es aquella sustancia que ingresa al reactor químico en mayor proporción, por lo tanto queda como sobrante al finalizar la reacción.
Fracción de reactivo en exceso.f Rex =
− é é
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 = 1Al2(SO4)3 + 6 H2O Fracción de conversión de un reactivo.f =
Rendimiento.-
R =
í
Selectividad.- Se refiere cuando en un proceso químico dentro de un reactor, existen reacciones colaterales, esto se da cuando los productos de la primera reacción reaccionan con los reactivos iniciales para dar productos no deseados. C2H6 C2H4 + H2
C2H4 + O2 2C2H4O
C2H4 + H2 2CH4
C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O
Selectividad =
Conversión Global.Cg =
−
Conversión en una etapa.C 1E =
−
Para la resolución de problemas con reacción Química, se debe cumplir: La masa de reactivos debe = la masa de productos El numero de átomos en la entrada = Numero de átomos a la salida El numero de moles en la entrada ≠ Número de moles a la salida
Ejemplo 2.9 .- La reacción entre el etileno y el bromuro de hidrógeno se efectúa en un reactor continuo. El flujo de productos se analiza, y se encuentra que contiene 50% en mol de C2H5Br y 33,3% HBr. La alimentación al reactor contiene sólo etileno y bromuro de hidrógeno. Calcúlese la conversión fraccionaria del reactivo limitante y el porcentaje en el que el otro reactivo se encuentra en exceso. Reacción: C2H4 + HBr → C2H5Br. C 2H 4
C2H4 Br = 50% REACTOR
HBr
C2H4 = HBr = 33,3%
Ejemplo 2.10.- Los procesos para producir ácido nítrico se basan en la oxidación de amoniaco sintetizado por la reacción de Haber. El primer paso en el proceso de oxidación es la reacción de NH 3 con O2 sobre un catalizador de platino, para producir óxido nítrico. 4 NH3 + 5O2 = 4 NO + 6 H2O
Bajo un conjunto determinado de condiciones, se obtiene una conversión de 90% de NH 3, con una alimentación de 40 kgmol/hr de NH3 y 60 kgmol/hr de O2. Calcular el flujo de salida del reactor para cada componente. NO =
NH3= 40 kgmol/hr REACTOR
O2 = 60 kgmol/hr
H2O = NH3= O2 =
Ejemplo 2.11 .- En el proceso ordinario para la fabricación de ácido nítrico, se trata nitrato sódico con un ácido sulfúrico acuoso que tiene 95% de H 2SO4 en masa. Para que la pasta que resulta pueda fluidizarse, es conveniente emplear ácido suficiente de forma que haya un 34% de H 2SO4 en peso en la pasta final. Este exceso de H 2SO4, en realidad estará combinado con el sulfato de sodio en la pasta formando sulfato ácido de sodio, aunque para efectos de cálculo puede considerarse como ácido libre. Puede suponerse que la pasta contiene 1,5% de agua en peso y que el resto del agua sale con el HNO3 producido. Puede suponerse que la reacción es completa y que el 2% del HNO3 formado permanece en la pasta. El NaNO3 utilizado es puro y está seco. a) Calcule el peso y la composición porcentual de la pasta formada por 100 lb de nitrato sódico cargado. b) Calcule el peso de ácido diluido que ha de emplearse por 100 lb de nitrato sódico. c) Calcule la composición de la solución acuosa de HNO 3 producida por 100 lb de nitrato sódico cargado.
Resolución
2NaNO3 + H2SO4
NaSO4 + 2HNO3
Ejemplo 2.12 .- Para formar 4500 lb de FeSO 4 se necesitó 1 tonelada de hierro. Si se suministran 335 galones de H 2SO4 puro cuya densidad es 1.8 g/cm 3. Calcular: a) El reactivo limitante. b) El porcentaje exceso. c) El grado de finalización. d) Los kilogramos de H2 obtenidos y su volumen en m 3 a condiciones normales.
Resolución
Fe + H2SO4
FeSO4 + H2
Ejemplo 2.13.- La cloración de benceno produce una mezcla de compuestos clorados mediante la siguiente cadena de reacciones: C6H6 + Cl2 = C6H5Cl + HCl C6H5Cl + Cl2 = C6H4Cl2 + HCl C6H4Cl2 + Cl2 = C6H3Cl3 + HCl C6H3Cl3 + Cl2 = C6H2Cl4 + HCl Se alimenta el cloro en una relación molar de cloro a benceno de 4 a 1, la primera reacción consume el 8% del benceno, la segunda reacción consume el 15% del benceno, la tercera reacción consume el 70% del benceno y la cuarta el 5% del benceno, determinar: a) El flujo másico que salen por la corriente C. b) El flujo másico de las corrientes de cloro y ácido clorhídrico c) Suponiendo que se quiere recircular el cloro excedente y el benceno, determinar la cantidad de cloro y benceno fresco que se alimenta por las corrientes A y B, y proponer los respectivos cambios en el proceso.
Resolución
C
A
C6H6 C6H5Cl
C2H6 = 1200 kgmol/h
B
REACTOR
SEPARADOR
C6H4Cl2 C6H3Cl3 C6H2Cl4
Cl2
HCl
Cl2
