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2014 (Actualizacin 2015)
J.S.Ramrez-Navas 1
Procesos Industriales
Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD
Universidad Santiago de Cali
Cali Colombia
BM con Reaccin Qumica
Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD
Universidad Santiago de Cali
Cali Colombia
CONTENIDO
Procesos industriales
Contenido
Antecedentes
Balances de materia con reaccin qumica
Combustin
Bibliografa
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ANTECEDENTES
Procesos industriales
Antecedentes
La formulacin de las ecuaciones de balance por componentes que pueda tomar en cuenta los cambios que ocurren en un sistema con reaccin qumica, requiere un grado de sofisticacin cientfica considerablemente mayor.
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2014 (Actualizacin 2015)
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Antecedentes
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El estudiante debe tener conocer y comprender
Formulas moleculares de los compuestos qumicos,
Transformaciones qumicas en trminos de rearreglo de tomos,
Representacin de las reacciones qumicas mediante las ecuaciones estequiomtricas.
El aporte de John Dalton
Ley de proporciones constates Cuando una sustancia determinada se
combina para producir otra sustancia, siempre se combinan en las mismas proporciones
Ley de proporciones mltiples Cuando una sustancia se combina con
otra en ms de una proporcin, ests proporciones estn relacionadas entre s por nmeros enteros.
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John Dalton (1766 1844)
El aporte de Avogadro
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Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776 1856)
ley de Avogadro, volmenes iguales de gases distintos
bajo las mismas condiciones de presin y temperatura, contienen el mismo nmero de partculas
Nmero de Avogadro es el nmero de partculas elementales
en un mol de una sustancia cualquiera,
6,022 141 291023
ESTEQUIOMETRIA Y EC. QUMICA
Procesos industriales
Formula qumica
La frmula de un compuesto expresa el nmero y la clase de los tomos existentes en dicho compuesto
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Formula qumica
El peso molecular de una sustancia es igual a la suma de los pesos atmicos de los elementos que la componen
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La estequiometria
Se ocupa de la combinacin de elementos y compuestos.
Las relaciones que se obtienen de los coeficientes numricos de la ecuacin qumica son los cocientes estequiomtricos que nos permiten calcular los moles de una sustancia en relacin con los moles de otra sustancia que interviene en la ecuacin qumica
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La Ecuacin Qumica
Proporciona informacin cuantitativa y cualitativa indispensable para calcular las cantidades de sustancias que se combinan en un proceso qumico
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La Ecuacin Qumica
Un caso general de Ec. Qca sera:
a A + b B c C+ d D
Frmula Coeficientes
estequiomtricos
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La Ecuacin Qumica
La Ec Qca indica las relaciones estequiomtricas: 1 mol (no lbm ni kg) de heptano reacciona con 11 moles de oxgeno
para dar 7 moles de dixido de carbono y 8 moles de agua.
Estos moles pueden ser Ib mol, g mol, kg mol o cualquier otro tipo.
Se forma un mol de CO2 a partir de cada 1/7 mol de C7H16.
Adems, se forma 1 mol de H2O con cada 7/8 mol de CO2.
As, la ecuacin indica en trminos de moles (no de masa) las proporciones entre los reactivos y los productos.
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Ejemplo
Si 10 kg de C7H16 reaccionan por completo con la cantidad estequiomtrica de O2, cuntos kg de CO2 se obtendrn como producto?
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Resolucin
100kg 352kg 308kg 144kg .
Base de clculo: 10 kg de C7H16
R/. 30,8 kg CO2
27 16 2
7 16
308 kg CO10kg C H * 30,8 kg CO
100kg C H
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VELOCIDAD DE REACCIN
Procesos industriales
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Velocidad de reaccin
De acuerdo con el principio de conservacin de la materia en un sistema abierto en estado estable, ocurran o no reacciones qumicas debe existir un balance entre los flujos msicos (o molares) de entrada y salida al sistema para cada elemento.
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Velocidad de reaccin
En el proceso de reaccin qumica ocurre un reordenamiento de los tomos y las molculas, formando compuestos moleculares diferentes, resulta obvio que no habr un balance entre los flujos msicos (o molares) de entrada y salida de cada sustancia en un sistema reaccionante.
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Velocidad de reaccin
Cuando hay una reaccin qumica, los compuestos individuales que forman las corrientes cambian en cantidad, y aun pueden llegar a desaparecer mientras se crean otros.
En estos casos, el balance gira alrededor de la reaccin qumica
Velocidad de reaccin
En presencia de reacciones qumicas ya no resulta valida la ecuacin de balance de materia por componente
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Masa entrante = Masa saliente
tomos entrantes = tomos salientes
Moles entrantes Moles salientes
2 2 3N 3H 2NH
Velocidad de reaccin
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La diferencia entre los flujos de entrada y de salida Rs como la razn molar de produccin de la sustancia s
Donde: Fs = flujo msico de s, Ms = peso molecular de s, Ns = flujo molar de s
sal entsal ents s
s s s
s s
F FR N N
M M
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Ejemplo
En un proceso continuo de sntesis de amoniaco mediante la reaccin N2 + 3H2 2NH3, se alimentan al reactor cataltico 40 moles/h de H2 y 12 moles/h de N2, para obtener una corriente de salida de 8 moles/h de N2, 28 moles/h de H2 y 8 moles/h de NH3. Determinar las razones de produccin de cada sustancia.
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Resolucin
Datos:
Ent N2: 12 moles/h
H2: 40 moles/h
Sal N2: 8 moles/h
H2: 28 moles/h
NH3: 8 moles/h
Ecuacin estequiomtrica:
N2 + 3H2 2 NH3
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Resolucin
3 3 3
2 2 2
2 2 2
sal ent
NH NH NH
sal ent
N N N
sal ent
H H H
molR N N 8 0 8
h
molR N N 8 12 4
h
molR N N 28 40 12
h
Velocidad de reaccin
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De acuerdo con las leyes de proporcionalidad de Dalton para una reaccin qumica dada, las razones de produccin o de consumo no son independientes sino que deben ser proporcionales entre si.
Las constantes de proporcionalidad las determinan los coeficientes estequiomtricos de las reacciones correspondientes.
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Ejemplo
N2 + 3H2 2NH3 Razones molares
Generalizando
3
2
NH
N
R 2
R 1
2
2
H
N
R 3
R 1 3
2
NH
H
R 2
R 3
3 2 2NH H N s
s
R R R R
2 3 1
Velocidad de la
reaccin qumica.
Velocidad de reaccin
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En presencia de una reaccin qumica nica, en la que intervienen S sustancias, la razn de produccin de cualesquiera de estas sustancias es suficiente para determinar las razones de produccin de las S - 1 sustancias restantes.
Por lo tanto, las ecuaciones de balance de materia incluirn, adems de las variables de las corrientes, una variable independiente adicional, o sea la razn de produccin de una sustancia de referencia seleccionada.
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Velocidad de reaccin
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Se define la velocidad de reaccin r de cualquier reaccin dada mediante
Se asignara convencionalmente un signo negativo al coeficiente de los reactivos y un signa positivo al de los productos.
s
s
Rr
Velocidad de reaccin
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s
s
Rr , s 1,...,S
s sR r
sal ent
s s sN N r
sal ent
s s s sF F M r
jsr jsrn
Ejemplo
Considrense nuevamente las condiciones dadas en el ejemplo anterior, o sea se alimentan a un reactor 12, 40 y 0 moles/h de N2, H2 y NH3, respectivamente de acuerdo a la ecuacin N2 + 3H2 2 NH3. Si se especifica un flujo de salida de N2 de 8 moles/h, calcule los flujos de salida de las dems sustancias.
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Resolucin
Datos:
Ent
N2: 12 moles/h
H2: 40 moles/h
Sal
N2: 8 moles/h
Ecuacin estequiomtrica:
N2 + 3H2 2 NH3
2N1
2H3
3NH2
2 2 2
sal ent
N N NN N r
8 12 1 r
molr 4
h
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Resolucin
2 2 2
2
2
sal ent
H H H
sal
H
sal
H
N N r
N 40 3 4
molN 28
h
3 3 3
3
3
sal ent
NH NH NH
sal
NH
sal
NH
N N r
N 40 2 4
molN 28
h
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Ejemplo
Considrense nuevamente las condiciones dadas en el ejemplo anterior, o sea se alimentan a un reactor 12, 40 y 0 moles/h de N2, H2 y NH3, respectivamente de acuerdo a la ecuacin 1/2N2 + 3/2H2 NH3. Si se especifica un flujo de salida de N2 de 8 moles/h, calcule los flujos de salida de las dems sustancias.
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Resolucin
Datos:
Ent
N2: 12 moles/h
H2: 40 moles/h
Sal
N2: 8 moles/h
Ecuacin estequiomtrica:
1/2N2 + 3/2H2 NH3
2N
1
2
2H
3
2
3NH1
2 2 2
sal ent
N N NN N r
18 12 r
2
molr 8
h
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Resolucin
2 2 2
2
2
sal ent
H H H
sal
H
sal
H
N N r
3N 40 8
2
molN 28
h
3 3 3
3
3
sal ent
NH NH NH
sal
NH
sal
NH
N N r
N 0 1 8
molN 8
h
REACTIVO LIMITANTE Y CONVERSIN
Procesos Industriales
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La Ecuacin Qumica
Reactivo limitante
Reactivo que en una reaccin qumica determinada, da a conocer o limita, la cantidad de producto formado, y provoca una concentracin especifica o limitante a la anterior.
Reactivos en exceso
El o los reactivos que se consumen parcialmente.
Rendimiento terico
La cantidad de producto que se obtiene cuando reacciona todo el reactivo limitante.
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Conversin fraccional
Una medida comn del progreso de una reaccin qumica es la conversin fraccional o simplemente la conversin de una sustancia
conocida la conversin siempre puede calcularse la velocidad de reaccin, y despus usar esta para completar los clculos de balance
ent sal
s ss ent
s
N NX
N
ent ent sal
s s s sN X N N
sal ent
s s sr N N
ent
s s
s
N Xr
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Ejemplo
Los procesos modernos para producir acido ntrico se basan en la oxidacin de amoniaco sintetizado por la reaccin de Haber. El primer paso en el proceso de oxidacin consiste de la reaccin de NH3 con O2 sobre un catalizador de platino, para producir oxido ntrico. La reaccin sigue la ecuacin estequiomtrica:
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
Bajo un conjunto determinado de condiciones en el reactor, se obtiene una conversin de 90% de NH3, con una alimentacin de 40 moles/h de NH3 y 60 moles/h de O2 Calcule los flujos de salida del reactor para todos los componentes.
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Resolucin
Datos:
Ent
NH3: 40 moles/h
O2: 60 moles/h
XNH3: 90%
Ecuacin estequiomtrica:
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
3NH4
2O5
NO 4
3 3
3
ent
NH NH
NH
N Xr
40 0,90r
4
molr 9
h
2H O6
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Resolucin
3 3 3
2 2 2
2 2 2
sal ent
NH NH NH
sal ent
O O O
sal ent
NO NO NO
sal ent
H O H O H O
molN N r 40 4 9 4
h
molN N r 60 5 9 15
h
molN N r 0 4 9 36
h
molN N r 0 6 9 54
h
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Conversin fraccional
El reactivo que presente el menor r ser el reactivo limitante:
ent
s
s
Nr
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Ejemplo
Considere la reaccin del ejemplo anterior y supngase que se obtiene una conversin del 80%, con alimentacin de una mezcla equimolar de amoniaco y oxigeno a razn de 100 moles/h. Calcule los flujos de salida de todos los componentes.
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
Exceso
Limitante
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Resolucin
Datos:
Ent
NH3: 50 moles/h
O2: 50 moles/h
XNH3: 80%
Ecuacin estequiomtrica:
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
3
3
ent
NH
NH
N 50r
4
2
2
ent
O
O
N 50r
5
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Resolucin
3 3 3
2 2 2
2 2 2
sal ent
NH NH NH
sal ent
O O O
sal ent
NO NO NO
sal ent
H O H O H O
molN N r 50 4 8 18
h
molN N r 50 5 8 10
h
molN N r 0 4 8 32
h
molN N r 0 6 8 48
h
2 2
2
ent
O O
O
X N 0,8 50 molr 8
5 h
2014 (Actualizacin 2015)
J.S.Ramrez-Navas 9
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Ejemplo
En condiciones adecuadas se hacen reaccionar 184,8g de N2 con 38,4g de H2; se averigua:
a) Cul es el reactante limitante?,
b) Cuntos g de reactante en exceso sobran?,
c) Cuntos g de NH3 se producen?
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Resolucin
Datos:
N2: 184,8g
H2: 38,4g
Reactante limitante: g
m Reactante en exceso: x g
m NH3: x g
Ecuacin estequiomtrica:
N2 + H2 NH3
Balanceo
N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g .
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Resolucin
a) Cul es el reactante limitante?
N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g
Exceso
Limitante
2
184,8gN 6,6
28g
2
38,4gH 6,4
6g
El concepto de reactivo limitante, permite a los qumicos asegurarse de que un reactivo, el ms costoso, sea completamente consumido en el transcurso
de una reaccin, aprovechndose as al mximo.
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Resolucin
b) Cuntos g de reactante en exceso sobran?
N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g
22 2
2
28gN38,4gH * 179,2gN
6gH
2
Exceso Total Reaccion
Exceso 184,8 179,2
Exceso 5,6gN
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Resolucin
c) Cuntos g de NH3 se producen?
N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g
3
2
2
3
34gNH38,4gH *
6gH
217,6gNHCOMBUSTIN
Procesos Industriales
2014 (Actualizacin 2015)
J.S.Ramrez-Navas 10
Combustin
Gases de chimenea o gases residuales de la combustin
Todos los gases que resultan de un proceso de combustin, incluido el vapor de agua, a veces denominado en base hmeda.
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Combustin
Anlisis de Orsat o en base seca Todos los gases que resultan de un proceso de
combustin pero sin incluir el vapor de agua.
El anlisis de Orsat se refiere a un tipo de aparato para anlisis de gases en el que los volmenes de los gases respectivos se miden sobre agua, y en equilibrio con ella; por tanto, todos los componentes estn saturados con vapor de agua.
El resultado neto del anlisis se obtiene al eliminar el agua como componente.
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Combustin
Anlisis de Orsat o en base seca Todos los gases que resultan de un proceso de
combustin pero sin incluir el vapor de agua.
El anlisis de Orsat se refiere a un tipo de aparato para anlisis de gases en el que los volmenes de los gases respectivos se miden sobre agua, y en equilibrio con ella; por tanto, todos los componentes estn saturados con vapor de agua.
El resultado neto del anlisis se obtiene al eliminar el agua como componente.
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Combustin
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Aparato de Orsat
Patentado en 1873 por H Orsat
Combustin
Aire terico (u oxgeno terico)
La cantidad de aire (u oxgeno) que se debe introducir en el proceso para lograr la combustin completa.
Esta cantidad tambin se conoce como aire (u oxgeno) requerido
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Combustin
Aire, en exceso (u oxgeno en exceso) Cantidad de aire que entra en el proceso
de combustin en exceso de la requerida para la combustin completa.
La cantidad calculada de aire en exceso no depende de que tanto material se quema realmente, sino de lo que puede quemarse.
Incluso si slo hay una combustin parcial, como cuando C se quema para dar tanto CO como CO2 el aire (u oxgeno) en exceso se calcula como si el proceso de combustin produjera solo CO2.
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2014 (Actualizacin 2015)
J.S.Ramrez-Navas 11
Combustin
El porcentaje de aire en exceso es idntico al porcentaje de O2 en exceso (y a menudo es un clculo ms cmodo):
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Aire en exceso
% aire en exceso = 100Aire requerido
22
O Exceso% aire en exceso = 100
O requerido
Combustin
Tambin:
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2 22
O entra - O requerido% aire en exceso = 100
O requerido
22 2
O en exceso% aire en exceso = 100
O entra - O en exceso
Combustin
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C
O2
CO2 Combustin
2 2C O CO
Acumulacin = Entra - Sale + Genera - Consume
O2 0 = 1 - 0 + 0 - 1
C = - + -
CO2 = - + -
Combustin
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2 2C O CO
Acumulacin = Entra - Sale + Genera - Consume
O 0 = 2 - 2 + 0 - 0
C 0 = 1 - 1 + 0 - 0
Balance de moles
Acumulacin = Entra - Sale + Genera - Consume
O 0 = 2(16) - 2(16) + 0 - 0
C 0 = 1(12) - 1(12) + 0 - 0
Balance de masa
BIBLIOGRAFA RECOMENDADA
Procesos Industriales
Bibliografa
Libros
FELDER, R.M. Y ROUSSEAU, R.W. Elementary Principles of Chemical Processes. 3 ed.: John Wiley & Sons, 2004. 702 p.
HENLEY, E.J.A., ROSEN, E.M. Y VZQUEZ, F.M. Clculo de balances de materia y energa: (mtodos manuales y empleo de mquinas calculadoras). Revert, 1973. 596 p.
HICKS, T.G., HICKS, S.D. Y LETO, J. Manual de clculos de ingeniera qumica. 3 ed.: McGraw-Hill, 1998. 1632 p.
HIMMELBLAU, D.M.A. Y GARCA, R.L.E. Principios bsicos y clculos en ingeniera qumica. 6 ed.: Prentice Hall : Pearson Educacin, 1997. 728 p.
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2014 (Actualizacin 2015)
J.S.Ramrez-Navas 12
Bibliografa
Libros MCCABE, W.L. Y SMITH, J.C. Operaciones bsicas de ingeniera qumica.
Revert, 1981. 498 p.
OCN GARCA, J. Y TOJO BARREIRO, G. Problemas de ingeniera qumica: operaciones bsicas. Aguilar, 1986.
PERRY, R. Manual del Ingeniero Qumico. 7 ed. USA: McGraw-Hill, 1997.
REKLAITIS, G.V. Y SCHNEIDER, D.R. Balances de materia y energa. Interamericana, 1986. 649 p.
WATSON, H., HOUGEN, O.A., WATSON, K.M. Y RAGATZ, R.A. Principios de Los Procesos Qumicos. Reverte, Editorial S.A., 1982. 560 p.
Valiente, A. Tlacatzin, R.. Problemas de Balance de Materia y Energa. Alhambra Mcixana, 1991. 477p.
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