Balance de Materia y Energía Avanzada

I.

BALANCES DE MATERIA SIN 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 1. Conceptos básicos I.2 Objetivo de aprendizaje: 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 estequiometrias, analíticamente y por medio de software. Estequiometría. En los reactores industriales casi nunca se usan reacciones estequiometrias de materiales. A fin de obligar que ocurra una reacción deseada o usar al máximo algún reactivo costoso, casi siempre se usan reactivos en exceso. Este material en exceso sale del reactor junto con los productos (que a veces se separa) y en algunos casos se puede utilizar nuevamente. Incluso si se emplean cantidades estequiometrias de reactivos, es muy posible que la reacción no se complete o que ocurran reacciones secundarias, de modo que los productos irán acompañados de reactivos no gastados, así como de productos secundarios. En estas circunstancias realizaremos algunas definiciones que posteriormente ocuparemos en los balances de materia con reacciones químicas.

término de acuerdo con la ecuación química, este reactivo desaparecerá, entonces el reactivo que desaparece primero (se consume primero y al hacerlo la reacción se detiene) es el reactivo limitante. Por ejemplo: para la combustión del heptano: C7 H16 + 11O 2 → 7CO 2 +8H 2O Si se mezcla 1 g mol de C7H16 con 12 g mol de oxígeno, el heptano será el reactivo limitante. Una forma rápida para determinar cuál es el reactivo limitante es calculando los cocientes molares, por ejemplo:

O2 C7 H16

Relación en la alimentación 12 > = 12 1

Relación en la ecuación química 11 = 11 1

Dado que se alimenta una relación mayor de oxígeno, entonces este compuesto es el reactivo en exceso y por consecuencia el heptano es el reactivo limitante.

Reactivo limitante. Es el que está presente en la cantidad estequiometria más pequeña, si se mezclan dos o más reactivos y la reacción se llevara a cabo hasta su Fuente: Himmelblau, D. M. (2002). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. México: Pearson Prentice Hall.

1

Balance de Materia y Energía Avanzada

Si están presentes dos o más reactivos es conveniente usar un reactivo de referencia, por ejemplo, para la siguiente reacción: A+3B+2C → Productos Si se alimentan las siguientes cantidades determinar cuál es el reactivo limitante: 1.1 moles de A. 3.2 moles de B 2.4 moles de C

Reactivo en exceso Es un reactivo que está presente en exceso del reactivo limitante, el porcentaje en exceso de un reactivo se basa en la cantidad del reactivo en exceso por encima de la cantidad requerida para reaccionar con el reactivo limitante según la ecuación química, es decir: %En exceso =

moles en exceso (100) moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante

Usaremos A como sustancia de referencia: Relación en la Relación en la alimentación ecuación química B 3.2 3 < = 2.91 =3 A 1.1 1 El reactivo B está en escases respecto al compuesto A.

Donde los moles en exceso con frecuencia se pueden calcular como los moles totales disponibles de un reactivo menos los moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante, regresando a la reacción de combustión del heptano:

C 2.4 2 > = 2.18 =2 A 1.1 1 El reactivo C está en exceso respecto al compuesto A.

Volviendo a mezclar 1 g mol de C7H16 con 12 g mol de oxígeno y aplicando la fórmula anterior:

Entonces podemos afirmar que el reactivo limitante es el reactivo B. El reactivo A es limitante respecto a la cantidad que se alimenta de C. Entonces en cuestiones de cantidades podemos ordenar los compuestos de la siguiente forma: B