Balances de Materia II

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    09-Nov-2015

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Balances de Materia con reaccin qumica

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<ul><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 1 </p><p>Procesos Industriales </p><p>Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD </p><p>Universidad Santiago de Cali </p><p>Cali Colombia </p><p>BM con Reaccin Qumica </p><p>Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD </p><p>Universidad Santiago de Cali </p><p>Cali Colombia </p><p>CONTENIDO </p><p>Procesos industriales </p><p>Contenido </p><p>Antecedentes </p><p>Balances de materia con reaccin qumica </p><p>Combustin </p><p>Bibliografa </p><p>jsr jsrn </p><p>ANTECEDENTES </p><p>Procesos industriales </p><p>Antecedentes </p><p> 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. </p><p>jsr jsrn </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 2 </p><p>Antecedentes </p><p>jsr jsrn </p><p> El estudiante debe tener conocer y comprender </p><p> Formulas moleculares de los compuestos qumicos, </p><p> Transformaciones qumicas en trminos de rearreglo de tomos, </p><p> Representacin de las reacciones qumicas mediante las ecuaciones estequiomtricas. </p><p>El aporte de John Dalton </p><p> Ley de proporciones constates Cuando una sustancia determinada se </p><p>combina para producir otra sustancia, siempre se combinan en las mismas proporciones </p><p> Ley de proporciones mltiples Cuando una sustancia se combina con </p><p>otra en ms de una proporcin, ests proporciones estn relacionadas entre s por nmeros enteros. </p><p>jsr jsrn </p><p>John Dalton (1766 1844) </p><p>El aporte de Avogadro </p><p>jsr jsrn </p><p>Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776 1856) </p><p> ley de Avogadro, volmenes iguales de gases distintos </p><p>bajo las mismas condiciones de presin y temperatura, contienen el mismo nmero de partculas </p><p> Nmero de Avogadro es el nmero de partculas elementales </p><p>en un mol de una sustancia cualquiera, </p><p> 6,022 141 291023 </p><p>ESTEQUIOMETRIA Y EC. QUMICA </p><p>Procesos industriales </p><p>Formula qumica </p><p> La frmula de un compuesto expresa el nmero y la clase de los tomos existentes en dicho compuesto </p><p>jsr jsrn </p><p>Formula qumica </p><p> El peso molecular de una sustancia es igual a la suma de los pesos atmicos de los elementos que la componen </p><p>jsr jsrn </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 3 </p><p>jsr jsrn </p><p>La estequiometria </p><p> Se ocupa de la combinacin de elementos y compuestos. </p><p> 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 </p><p>jsr jsrn </p><p>La Ecuacin Qumica </p><p> Proporciona informacin cuantitativa y cualitativa indispensable para calcular las cantidades de sustancias que se combinan en un proceso qumico </p><p>jsr jsrn </p><p>La Ecuacin Qumica </p><p> Un caso general de Ec. Qca sera: </p><p>a A + b B c C+ d D </p><p>Frmula Coeficientes </p><p>estequiomtricos </p><p>jsr jsrn </p><p>La Ecuacin Qumica </p><p> La Ec Qca indica las relaciones estequiomtricas: 1 mol (no lbm ni kg) de heptano reacciona con 11 moles de oxgeno </p><p>para dar 7 moles de dixido de carbono y 8 moles de agua. </p><p> Estos moles pueden ser Ib mol, g mol, kg mol o cualquier otro tipo. </p><p> Se forma un mol de CO2 a partir de cada 1/7 mol de C7H16. </p><p> Adems, se forma 1 mol de H2O con cada 7/8 mol de CO2. </p><p> As, la ecuacin indica en trminos de moles (no de masa) las proporciones entre los reactivos y los productos. </p><p>jsr jsrn </p><p>Ejemplo </p><p> Si 10 kg de C7H16 reaccionan por completo con la cantidad estequiomtrica de O2, cuntos kg de CO2 se obtendrn como producto? </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p> 100kg 352kg 308kg 144kg . </p><p>Base de clculo: 10 kg de C7H16 </p><p>R/. 30,8 kg CO2 </p><p>27 16 2</p><p>7 16</p><p>308 kg CO10kg C H * 30,8 kg CO</p><p>100kg C H</p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 4 </p><p>VELOCIDAD DE REACCIN </p><p>Procesos industriales </p><p>jsr jsrn </p><p>Velocidad de reaccin </p><p> 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. </p><p>jsr jsrn </p><p>Velocidad de reaccin </p><p> 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. </p><p>jsr jsrn </p><p>Velocidad de reaccin </p><p> 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. </p><p> En estos casos, el balance gira alrededor de la reaccin qumica </p><p>Velocidad de reaccin </p><p> En presencia de reacciones qumicas ya no resulta valida la ecuacin de balance de materia por componente </p><p>jsr jsrn </p><p>Masa entrante = Masa saliente</p><p>tomos entrantes = tomos salientes</p><p>Moles entrantes Moles salientes</p><p>2 2 3N 3H 2NH </p><p>Velocidad de reaccin </p><p>jsr jsrn </p><p> La diferencia entre los flujos de entrada y de salida Rs como la razn molar de produccin de la sustancia s </p><p> Donde: Fs = flujo msico de s, Ms = peso molecular de s, Ns = flujo molar de s </p><p>sal entsal ents s</p><p>s s s</p><p>s s</p><p>F FR N N</p><p>M M </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 5 </p><p>jsr jsrn </p><p>Ejemplo </p><p>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. </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>Datos: </p><p> Ent N2: 12 moles/h </p><p> H2: 40 moles/h </p><p> Sal N2: 8 moles/h </p><p> H2: 28 moles/h </p><p> NH3: 8 moles/h </p><p>Ecuacin estequiomtrica: </p><p>N2 + 3H2 2 NH3 </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>3 3 3</p><p>2 2 2</p><p>2 2 2</p><p>sal ent</p><p>NH NH NH</p><p>sal ent</p><p>N N N</p><p>sal ent</p><p>H H H</p><p>molR N N 8 0 8</p><p>h</p><p>molR N N 8 12 4</p><p>h</p><p>molR N N 28 40 12</p><p>h</p><p>Velocidad de reaccin </p><p>jsr jsrn </p><p> 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. </p><p> Las constantes de proporcionalidad las determinan los coeficientes estequiomtricos de las reacciones correspondientes. </p><p>jsr jsrn </p><p>Ejemplo </p><p>N2 + 3H2 2NH3 Razones molares </p><p> Generalizando </p><p>3</p><p>2</p><p>NH</p><p>N</p><p>R 2</p><p>R 1</p><p>2</p><p>2</p><p>H</p><p>N</p><p>R 3</p><p>R 1 3</p><p>2</p><p>NH</p><p>H</p><p>R 2</p><p>R 3</p><p>3 2 2NH H N s</p><p>s</p><p>R R R R</p><p>2 3 1 </p><p> Velocidad de la </p><p>reaccin qumica. </p><p>Velocidad de reaccin </p><p>jsr jsrn </p><p> 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. </p><p> 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. </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 6 </p><p>Velocidad de reaccin </p><p>jsr jsrn </p><p> Se define la velocidad de reaccin r de cualquier reaccin dada mediante </p><p> Se asignara convencionalmente un signo negativo al coeficiente de los reactivos y un signa positivo al de los productos. </p><p>s</p><p>s</p><p>Rr </p><p>Velocidad de reaccin </p><p>jsr jsrn </p><p>s</p><p>s</p><p>Rr , s 1,...,S </p><p>s sR r </p><p>sal ent</p><p>s s sN N r </p><p>sal ent</p><p>s s s sF F M r </p><p>jsr jsrn </p><p>Ejemplo </p><p>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. </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>Datos: </p><p> Ent </p><p> N2: 12 moles/h </p><p> H2: 40 moles/h </p><p> Sal </p><p> N2: 8 moles/h </p><p>Ecuacin estequiomtrica: </p><p>N2 + 3H2 2 NH3 </p><p>2N1 </p><p>2H3 </p><p>3NH2 </p><p> 2 2 2</p><p>sal ent</p><p>N N NN N r</p><p>8 12 1 r</p><p>molr 4</p><p>h</p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p> 2 2 2</p><p>2</p><p>2</p><p>sal ent</p><p>H H H</p><p>sal</p><p>H</p><p>sal</p><p>H</p><p>N N r</p><p>N 40 3 4</p><p>molN 28</p><p>h</p><p> 3 3 3</p><p>3</p><p>3</p><p>sal ent</p><p>NH NH NH</p><p>sal</p><p>NH</p><p>sal</p><p>NH</p><p>N N r</p><p>N 40 2 4</p><p>molN 28</p><p>h</p><p>jsr jsrn </p><p>Ejemplo </p><p>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. </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 7 </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>Datos: </p><p> Ent </p><p> N2: 12 moles/h </p><p> H2: 40 moles/h </p><p> Sal </p><p> N2: 8 moles/h </p><p>Ecuacin estequiomtrica: </p><p>1/2N2 + 3/2H2 NH3 </p><p>2N</p><p>1</p><p>2 </p><p>2H</p><p>3</p><p>2 </p><p>3NH1 </p><p>2 2 2</p><p>sal ent</p><p>N N NN N r</p><p>18 12 r</p><p>2</p><p>molr 8</p><p>h</p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>2 2 2</p><p>2</p><p>2</p><p>sal ent</p><p>H H H</p><p>sal</p><p>H</p><p>sal</p><p>H</p><p>N N r</p><p>3N 40 8</p><p>2</p><p>molN 28</p><p>h</p><p> 3 3 3</p><p>3</p><p>3</p><p>sal ent</p><p>NH NH NH</p><p>sal</p><p>NH</p><p>sal</p><p>NH</p><p>N N r</p><p>N 0 1 8</p><p>molN 8</p><p>h</p><p>REACTIVO LIMITANTE Y CONVERSIN </p><p>Procesos Industriales </p><p>jsr jsrn </p><p>La Ecuacin Qumica </p><p> Reactivo limitante </p><p> 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. </p><p> Reactivos en exceso </p><p> El o los reactivos que se consumen parcialmente. </p><p> Rendimiento terico </p><p> La cantidad de producto que se obtiene cuando reacciona todo el reactivo limitante. </p><p>jsr jsrn </p><p>Conversin fraccional </p><p> Una medida comn del progreso de una reaccin qumica es la conversin fraccional o simplemente la conversin de una sustancia </p><p> conocida la conversin siempre puede calcularse la velocidad de reaccin, y despus usar esta para completar los clculos de balance </p><p>ent sal</p><p>s ss ent</p><p>s</p><p>N NX</p><p>N</p><p>ent ent sal</p><p>s s s sN X N N </p><p>sal ent</p><p>s s sr N N </p><p>ent</p><p>s s</p><p>s</p><p>N Xr </p><p>jsr jsrn </p><p>Ejemplo </p><p>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: </p><p> 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O </p><p>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. </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 8 </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>Datos: </p><p> Ent </p><p> NH3: 40 moles/h </p><p> O2: 60 moles/h </p><p> XNH3: 90% </p><p>Ecuacin estequiomtrica: </p><p>4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O </p><p>3NH4 </p><p>2O5 </p><p>NO 4 </p><p>3 3</p><p>3</p><p>ent</p><p>NH NH</p><p>NH</p><p>N Xr</p><p>40 0,90r</p><p>4</p><p>molr 9</p><p>h</p><p>2H O6 </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>3 3 3</p><p>2 2 2</p><p>2 2 2</p><p>sal ent</p><p>NH NH NH</p><p>sal ent</p><p>O O O</p><p>sal ent</p><p>NO NO NO</p><p>sal ent</p><p>H O H O H O</p><p>molN N r 40 4 9 4</p><p>h</p><p>molN N r 60 5 9 15</p><p>h</p><p>molN N r 0 4 9 36</p><p>h</p><p>molN N r 0 6 9 54</p><p>h</p><p>jsr jsrn </p><p>Conversin fraccional </p><p> El reactivo que presente el menor r ser el reactivo limitante: </p><p>ent</p><p>s</p><p>s</p><p>Nr </p><p>jsr jsrn </p><p>Ejemplo </p><p>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. </p><p> 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O </p><p>Exceso </p><p>Limitante </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>Datos: </p><p> Ent </p><p> NH3: 50 moles/h </p><p> O2: 50 moles/h </p><p> XNH3: 80% </p><p>Ecuacin estequiomtrica: </p><p>4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O </p><p>3</p><p>3</p><p>ent</p><p>NH</p><p>NH</p><p>N 50r</p><p>4 </p><p>2</p><p>2</p><p>ent</p><p>O</p><p>O</p><p>N 50r</p><p>5 </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>3 3 3</p><p>2 2 2</p><p>2 2 2</p><p>sal ent</p><p>NH NH NH</p><p>sal ent</p><p>O O O</p><p>sal ent</p><p>NO NO NO</p><p>sal ent</p><p>H O H O H O</p><p>molN N r 50 4 8 18</p><p>h</p><p>molN N r 50 5 8 10</p><p>h</p><p>molN N r 0 4 8 32</p><p>h</p><p>molN N r 0 6 8 48</p><p>h</p><p> 2 2</p><p>2</p><p>ent</p><p>O O</p><p>O</p><p>X N 0,8 50 molr 8</p><p>5 h </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 9 </p><p>jsr jsrn </p><p>Ejemplo </p><p>En condiciones adecuadas se hacen reaccionar 184,8g de N2 con 38,4g de H2; se averigua: </p><p>a) Cul es el reactante limitante?, </p><p>b) Cuntos g de reactante en exceso sobran?, </p><p>c) Cuntos g de NH3 se producen? </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>Datos: </p><p> N2: 184,8g </p><p> H2: 38,4g </p><p> Reactante limitante: g </p><p> m Reactante en exceso: x g </p><p> m NH3: x g </p><p>Ecuacin estequiomtrica: </p><p>N2 + H2 NH3 </p><p>Balanceo </p><p>N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g . </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>a) Cul es el reactante limitante? </p><p>N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g </p><p>Exceso </p><p>Limitante </p><p>2</p><p>184,8gN 6,6</p><p>28g </p><p>2</p><p>38,4gH 6,4</p><p>6g </p><p>El concepto de reactivo limitante, permite a los qumicos asegurarse de que un reactivo, el ms costoso, sea completamente consumido en el transcurso </p><p>de una reaccin, aprovechndose as al mximo. </p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>b) Cuntos g de reactante en exceso sobran? </p><p>N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g </p><p>22 2</p><p>2</p><p>28gN38,4gH * 179,2gN</p><p>6gH</p><p>2</p><p>Exceso Total Reaccion</p><p>Exceso 184,8 179,2</p><p>Exceso 5,6gN</p><p>jsr jsrn </p><p>Resolucin </p><p>c) Cuntos g de NH3 se producen? </p><p>N2 + 3H2 2NH3 28g 6g 34g </p><p> 3</p><p>2</p><p>2</p><p>3</p><p>34gNH38,4gH *</p><p>6gH</p><p>217,6gNHCOMBUSTIN </p><p>Procesos Industriales </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 10 </p><p>Combustin </p><p> Gases de chimenea o gases residuales de la combustin </p><p> Todos los gases que resultan de un proceso de combustin, incluido el vapor de agua, a veces denominado en base hmeda. </p><p>jsr jsrn </p><p>Combustin </p><p> Anlisis de Orsat o en base seca Todos los gases que resultan de un proceso de </p><p>combustin pero sin incluir el vapor de agua. </p><p> 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. </p><p> El resultado neto del anlisis se obtiene al eliminar el agua como componente. </p><p>jsr jsrn </p><p>Combustin </p><p> Anlisis de Orsat o en base seca Todos los gases que resultan de un proceso de </p><p>combustin pero sin incluir el vapor de agua. </p><p> 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. </p><p> El resultado neto del anlisis se obtiene al eliminar el agua como componente. </p><p>jsr jsrn </p><p>Combustin </p><p>jsr jsrn </p><p>Aparato de Orsat </p><p> Patentado en 1873 por H Orsat </p><p>Combustin </p><p> Aire terico (u oxgeno terico) </p><p> La cantidad de aire (u oxgeno) que se debe introducir en el proceso para lograr la combustin completa. </p><p> Esta cantidad tambin se conoce como aire (u oxgeno) requerido </p><p>jsr jsrn </p><p>Combustin </p><p> Aire, en exceso (u oxgeno en exceso) Cantidad de aire que entra en el proceso </p><p>de combustin en exceso de la requerida para la combustin completa. </p><p> La cantidad calculada de aire en exceso no depende de que tanto material se quema realmente, sino de lo que puede quemarse. </p><p> 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. </p><p>jsr jsrn </p></li><li><p>2014 (Actualizacin 2015) </p><p>J.S.Ramrez-Navas 11 </p><p>Combustin </p><p> El porcentaje de aire en exceso es idntico al porcentaje de O2 en exceso (y a menudo es un clculo ms cmodo): </p><p>jsr jsrn </p><p> Aire en exceso</p><p>% aire en exceso = 100Aire requerido</p><p> 22</p><p>O Exceso% aire en exceso = 100</p><p>O requerido</p><p>Combustin </p><p> Tambin: </p><p>jsr jsrn </p><p> 2 22</p><p>O entra - O requerido% aire en exceso = 100</p><p>O requerido</p><p> 22 2</p><p>O en exceso% aire en exceso = 100</p><p>O entra - O en exceso</p><p>Combustin </p><p>jsr jsrn </p><p>C </p><p>O2 </p><p>CO2 Combustin </p><p>2 2C O CO </p><p>Acumulacin = Entra - Sale + Genera - Consume </p><p>O2 0 = 1 - 0 + 0 - 1 </p><p>C = - + - </p><p>CO2 = - + - </p><p>Combustin </p><p>jsr jsrn </p><p>2 2C O CO </p><p>Acumulacin = Entra - Sale + Genera - Consume </p><p>O 0 = 2 - 2 + 0 - 0 </p><p>C 0 = 1 - 1 + 0 - 0 </p><p>Balance de moles </p><p>Acumula...</p></li></ul>