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UNIDAD II. Balances de materia con reacción química en flujo continuo.
Objetivo. El alumno calculará y diseñará balances de materia con reacción química, utilizando los conceptos básicos para la resolución de problemas, y representar e interpretar los diagramas de flujo en procesos industriales; de manera analítica y con software.
Tema 2.1 Conceptos básicos.
Saber. Definir reactivo en exceso, reactivo limitante, conversión, grado de conversión, selectividad, y rendimiento en una reacción.
Saber hacer. Identificar los reactivos limitante y en exceso, calcular el porcentaje de exceso de los reactivos, el porcentaje de conversión y el rendimiento para una reacción química en la que los reactivos no están en proporciones estequiométricas, analíticamente y por medio de software.
Ser. Iniciativa, Innovador, Autogestión, Responsabilidad.
TAREA 1. Conceptos básicos de balance de materia con reacción química.
Instrucción. Investigue los conceptos siguientes:
Reactivo Producto Dirección de la reacción Pureza del reactivo Reactivo limitante Reactivo en exceso Moles requeridos Moles en exceso Porciento en exceso Conversión Grado de avance Selectividad Rendimiento. Estequiometria Proporción estequiométrica Coeficientes estequimétricos
En el lenguaje químico se usa la expresión reacción química para referirse a los fenómenos químicos que se presentan en la naturaleza, mediante los cuales ciertas sustancias presentes al principio, desaparecen en apariencia, formando sustancias diferentes, cumpliéndose así la ley de la conservación de la materia.
Así, una reacción química es un proceso en el cual intervienen reactivos o materias primas para generar productos y en el que se efectúan cambios estructurales de la materia de las especies participantes, a través del rompimiento y la formación de enlaces químicos, Los factores a considerar para realizar una reacción química se presentan en la tabla 2.1.
Tabla 2.1. Factores a considerar en una reacción química.
Factores a considerar Como afectan
Presión, temperatura y composición. Desplazamiento del equilibrio, aumento en el rendimiento, descripción de condiciones del proceso. Cinética de la reacción. Asegura los tiempos óptimos de reacción y el grado de descomposición de las sustancias que reaccionan. Estado de agregación. Favorece el contacto de las especies participantes.
Clasificación de las reacciones químicas.
En general, las reacciones químicas pueden ser de dos tipos:
- Reacciones químicas ácido-base. Se presentan sin cambios en los estados de oxidación.
- Reacciones químicas redox. Éstas presentan cambios en los estados de oxidación.
Para su estudio, las reacciones químicas se agrupan en las siguientes categorías:
a. Reacción de síntesis. Se parte de elementos o compuestos sencillos que se unen para formar uno más complejo, su modelo es: A + B AB.
b. Reacción de descomposición. Se refiere a un compuesto que se descompone o fragmenta en elementos o compuestos más sencillos, el modelo es: AE A + E.
c. Reacción de desplazamiento simple. En ésta, un elemento reemplaza a otro en un compuesto, el modelo es el siguiente: A+ EC AC + E.
d. Reacción de doble desplazamiento. Es una reacción en que los iones de un compuesto cambian lugares con los iones de otro compuesto, para formar dos sustancias diferentes. El modelo que la representa es: AE + CD AD + CE.
Asimismo, hay otras formas de clasificar las reacciones químicas, puede ser en función del estado de agregación de la materia, por el uso de catalizadores, por el calor generado o absorbido, y en función del proceso unitario involucrado (véase tabla 2.2).
Reacciones únicas y múltiples.
En primer lugar, cuando las sustancias reaccionan para formar productos a menudo resulta sencillo decidir, después de analizar la estequiometria -preferentemente a varias temperaturas-, si la reacción es única o múltiple.
Se dice que la reacción es única, cuando el transcurso de la misma se puede representar por una sola ecuación estequiométrica y una sola ecuación cinética. Por otra parte, se habla de reacciones múltiples cuando para representar los cambios observados se requiere más de una ecuación estequiométrica, por lo que se necesita más de una expresión cinética para seguir las variaciones de la composición de todos los componentes de la reacción.
Hay cuatro tipos fundamentales de reacciones múltiples: en serie, en paralelo, complejas e independientes. Estos tipos de reacciones múltiples llegan a ocurrir por sí solas, en parea o todas juntas. Cuando hay una combinación de reacciones en paralelo y en serie, a menudo se les denomina reacciones complejas.
Las reacciones en paralelo (llamadas también reacciones competitivas) son aquellas en las cuales el reactivo se consume por dos caminos de reacción distintos para formar productos diferentes. Un ejemplo de reacción en paralelo significativa, desde el punto de vista industrial, es la oxidación de etileno a óxido de etileno, evitando la combustión completa a dióxido de carbono y agua.
Las reacciones en serie (llamadas también reacciones consecutivas) son aquellas en las cuales el reactivo forma un producto intermedio, el cual vuelve a reacciona para formar otro producto. Un ejemplo de reacción en serie es la del óxido de etileno (EO) con amoniaco para producir mono-, di- y trietanolamina. En los últimos años se ha producido un desplazamiento hacia la producción de dietanolamina como producto deseado, en vez de trietanolamina.
Las reacciones complejas son reacciones múltiples que incluyen una combinación de reacciones en serie y paralelo. Un ejemplo es la formación de butadieno a partir de etanol.
Las reacciones independientes son aquellas que ocurren de manera simultánea, pero los productos y reactivos no reacciones entre sí ni consigo mismos. Un ejemplo es la desintegración catalítica del petróleo crudo para producir gasolina, en la cual dos de las diversas reacciones que se llevan a cabo son:
C15H 32 C12H 26 + C3H 6
C8H 18 C6H 14 + C2H 4
Practica 01. Resuelva correctamente el siguiente problema.
Una industria química tiene en su almacén 200 kg de alúmina (Al 2 O 3 ) al 80% de pureza y 600 L de una solución de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) al 18% a 25°C, para producir sulfato de aluminio Al 2 (SO 4 ) 3 , de acuerdo con la siguiente ecuación:
Determinar:
a. Moles iniciales de alúmina
b. Moles iniciales de ácido sulfúrico en la solución
c. Molaridad de la solución.
d. El reactivo limitante y reactivo en exceso
e. Moles requeridos, en exceso, porciento en exceso.
f. La cantidad máxima de sulfato de aluminio que se puede producir
g. (^) Realizar el balance de masa correspondiente.
h. Rendimiento del sulfato de aluminio por alúmina alimentada
i. Rendimiento del sulfato de aluminio por alúmina convertida
Práctica 02. Resuelve correctamente los problemas siguientes.
- (^) Los procesos modernos 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 consiste de la reacción de NH 3 con O 2 sobre un catalizador de platino, para producir óxido nítrico. La reacción sigue la ecuación estequiométrica
4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O
Bajo un conjunto determinado de condiciones en el reactor, se obtiene una conversión de 90% de NH 3 , con una alimentación de 40 moles/h de NH 3 y 60 moles/h de O 2. Determine:
a. Reactivo limitante y reactivo en exceso.
b. Moles requeridos (estequiométricos), moles en exceso, porciento en exceso.
c. Grado de avance de la reacción.
d. Los flujos de salida del reactor para todas las especies.
e. La conversión del O 2.
- Considérese la reacción del problema anterior y supóngase que se obtiene una conversión del 80% de amoniaco, con alimentación de una mezcla equimolar de amoniaco y oxígeno a razón de 100 moles /h. Calcule los flujos de salida de todos los componentes.
- (^) La mezcla estequiométrica de 75% H 2 y 25% N 2 para la síntesis de amoniaco se prepara mezclando una corriente gaseosa que contiene 78% N 2 , 20% CO y 2% CO 2 con otra corriente gaseosa con 50% H 2 y 50% CO. El monóxido de carbono, que actúa como veneno del catalizador de síntesis, se elimina haciendo reaccionar esta mezcla de gases con vapor de agua, para formar dióxido de carbono e hidrógeno mediante la reacción de conversión
CO + H 2 O CO 2 + H 2
Posteriormente se elimina el CO 2 mediante lavado por absorción con solvente, suponiendo que todas las composición están en porcentaje en mol, y que se adiciona la cantidad precisa de vapor de agua para convertir completamente todo el CO, calcule la proporción en que deberán mezclarse las corrientes gaseosas y el agua, para producir 100 moles de la corriente
La reducción de mineral de magnetita, Fe 3 O 4 , a hierro metálico, puede efectuarse haciendo reaccionar al mineral con gas hidrógeno. Las reacciones que ocurren son:
Fe 3 O 4 + H 2 3FeO + H 2 O
FeO + H 2 Fe + H 2 O
Cuando se alimentan 4 moles/h de H 2 y 1 mol/h de Fe 3 O 4 , se obtiene una descarga en estado estable de 0.1 moles/h de magnetita y 2.5 moles/h de Fe, junto con otras sustancias. Calcule la descarga completa del reactor.
- Las reacciones
C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2
C 2 H 6 + H 2 2CH 4
se llevan a cabo en un reactor continuo en estado estacionario. La alimentación contiene 85 mol % de etano (C 2 H 6 ) y el balance son productos inertes (I). La fracción de conversión del etano es 0.501, y el rendimiento fraccionario de etileno es 0.471. Calcule la composición molar del gas producido y la selectividad del etileno para la producción de metano.
Resultado de aprendizaje.
- (^) La cloración del benceno produce una mezcla de productos mono-, di-, tri- y tetrasusituidos, mediante la cadena de reacciones:
C 6 H 6 + Cl 2 C 6 H 5 Cl + HCl
C 6 H 5 Cl + Cl 2 C 6 H 4 Cl 2 + HCl
C 6 H 4 Cl 2 + Cl 2 C 6 H 3 Cl 3 + HCl
C 6 H 3 Cl 3 + Cl 2 C 6 H 2 Cl 4 + HCl
El producto primario de la cloración es triclorobenceno, que se vende como producto para limpieza de textiles, aunque es inevitable la producción conjunta de los otros clorobencenos. Supóngase que una alimentación con una producción molar de Cl 2 a benceno de 3.6 a 1 resulta en un producto con la siguiente composición (porcentaje en mol, en base libre de HCl y Cl 2 )
Benceno 1 % Clorobencno 7 % Diclorobenceno 12 % Triclorobenceno 75 % Tetraclorobenceno 5 %
Si se cargan al reactor 1000 moles/h de benceno, calcúlense los moles/h de subproductos HCl y de producto primario C 6 H 3 Cl 3 , producidos.
- En un reactor se deshidrogena propano para dar propileno: C 3 H 8 C 3 H 6 + H 2 El proceso se va a diseñar para una conversión total del 95% del propano. Los productos de reacción se sepraran en dos corrientes:
- (^) la primera, que contiene H 2 , C 3 H 6 y 0.555% del propano que sale del reactor, se considera como producto;
- (^) la segunda corriente, que contiene el balance del propano sin reaccionar y 5% del propileno de la primera corriente, se recircula al reactor. Calcule la composición del producto, la relación (moles recirculados)/(moles de alimentación fresca), y la conversión en un paso.
