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15/03/2013 18:17 1 Profa. Isaura Garca Maldonado.
REACTOR
REACTIVOS
INERTES
REACTIVOS
INERTES
PRODUCTOS
1 2
REACTOR
REACTIVOS
INERTES
REACTIVOS
INERTES
PRODUCTOS
1 2
SALE = ENTRA - REACCIONA + PRODUCE
MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O
Reaccin qumica:
Los coeficientes estequiomtricos de los reactivos y de los productos representan el nmero de moles que reaccionan y que se producen en la reaccin; por lo que se tiene:
1 mol de MnO2 reaccionan con 4 moles de HCl para producir 1 mol de MnCl2 , 1 mol de Cl2 y 2 mol de H2O.
Esto indica que:
=1
=1
Si la reaccin anterior se lleva a cabo en un reactor, el
nmero de moles que entran al reactor, no necesariamente es igual al
nmero de moles que sale del reactor.
N1 = 5 mol N2 = 4 mol
Flujo molar de entrada Flujo molar de salida
MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O
REACTOR
1 mol de MnO2
4 mol de HCl
1 mol de MnCl2
1 mol de Cl2 1 2
2 mol de H2O.
Las masas estequiomtricas de los reactivos y productos se
obtienen multiplicando el peso molecular del reactivo o del producto
por su respectivo coeficiente estequiomtrico.
86.938
MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O
36.453 125.844 70.906 18 Pesos Moleculares
1(86.938) 4(36.453) 1(125.844) 1(70.906) 2(18) Masas
estequiomtricas
86.938 145.812 125.844 70.906 36
232.75 232.75
Si la reaccin anterior se lleva a cabo en un reactor, el flujo
msico a la entrada del reactor es igual al flujo msico que sale del
reactor.
M1 = 232.75 kg = M2 = 232.75 kg
Flujo msico de entrada = Flujo msico de salida
MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O
REACTOR
86.938 kg de MnO2
145.812 kg de HCl
125.844 kg de MnCl2
70.906 kg de Cl2 1 2
36 kg de H2O.
86.938 145.812 125.844 70.906 36
El balance de una reaccin qumica consiste en tener la
misma cantidad de tomos como reactivos y como productos.
C8H12S2 + O2 CO2 + H2O
tomos presentes en la reaccin:
Carbono: C
Hidrgeno: H
Azufre: S
Oxgeno: O
C8H12S2 + O2 CO2 + H2O + SO2
REACTIVOS:
8 tomos de C
12 tomos de H
2 tomos de S
2 tomos de O
PRODUCTOS:
1 tomo de C
2 tomos de H
1 tomo de S
5 tomos de O
La reaccin no est balanceada en ninguno de los tomos
que participan en la misma.
REACTIVOS:
8 tomos de C
12 tomos de H
2 tomos de S
26 tomos de O
PRODUCTOS:
8 tomos de C
12 tomos de H
2 tomos de S
26 tomos de O
Para balancear una reaccin se alteran slo los coeficientes estequiomtricos de reactivos y/o productos.
8CO2 + 6H2O + 2SO2 + 13O2
Por lo general, en los procesos qumicos, los reactivos no
se alimentan en proporcin estequiomtrica, ya que comnmente
alguno de ellos se alimenta en mayor cantidad a la cantidad necesaria,
con el fin de asegurar que se consuma el reactivo de inters o el ms costoso (reactivo limitante).
El reactivo limitante es el que se alimenta en menor proporcin a la requerida estequiomtricamente.
El reactivo en exceso es aquel que se encuentra presente en
mayor cantidad a la necesaria para que se consuma todo el reactivo limitante.
Para una reaccin donde participan los reactivos A y B, el reactivo limitante se puede determinar de la siguiente manera:
=
=
Si RmsicaA RmsicaB el Reactivo limitante es A
Si RmsicaA RmsicaB el Reactivo limitante es B
NOTA: Esto tambin aplica si se trabaja con flujos molares. En las relaciones molares se utilizaran las moles alimentadas y las estequiomtricas de los reactivos
El porciento del reactivo en exceso se calcula de la siguiente
manera:
% =
Donde la cantidad terica es la cantidad requerida para que
todo el reactivo limitante alimentado reaccione o se consuma.
% =
Si para la siguiente reaccin:
Se hacen reaccionar 175 Kg de O3 con 170 Kg de NO determine:
a) Cul es el reactivo limitante
O3 + NO O2 + NO2
b) Cul es el reactivo en exceso
c) % de Reactivo en exceso
Si a un horno se alimentan 12 moles de O2 y un mol de C7H16
efectundose la siguiente reaccin:
Determine:
a) Cul es el reactivo limitante?
C7H16 + 11 O2 7CO2 + 8H2O
b) Cul es el reactivo en exceso?
c) % de Reactivo en exceso
El grado de conversin cuantifica la fraccin o el porcentaje de
la cantidad alimentada de algn reactivo, que reacciona para
transformarse en productos.
Se puede expresar un grado de conversin para cada uno de
los reactivos que intervienen en una reaccin y como ste est referido a
la cantidad alimentada de cada reactivo, el valor del grado de conversin
no es el mismo para todos los reactivos participantes.
Es importante enfatizar que para
realizar los balances de materia con reaccin
qumica, el grado de conversin debe estar
referido al reactivo limitante.
=
Para el reactivo i:
=
Para el reactivo limitante:
El fluoruro de hidrgeno se prepara mediante la reaccin:
+ +
Si en la reaccin se tratan 10 Kg de CaF2 con 15 Kg de H2SO4 el
cual se encuentra en exceso y se producen 4.767 kg de HF, calcule las
conversiones de CaF2 y del H2SO4 .
PM CaF2 = 78 kg/kmol
PM H2SO4 = 98 kg/kmol
PM CaSO4 = 136 kg/kmol
PM HF = 20 kg/kmol
+ +
REACTOR 1 2 10 Kg de CaF2
15 Kg de H2SO4
4.767 kg de HF
CaSO4
CaF2 = ?
H2SO4 = ?
CaF2 = ?
H2SO4 = ?
Incgnitas:
Se pueden preparar pequeas cantidades de O2 mediante la
descomposicin de KClO3 por calentamiento, a travs de la siguiente
reaccin:
+
Si en una prueba de laboratorio se calientan 5 g de KClO3 y en el
anlisis de los productos se encuentran 1.8 g de O2, calcule el grado de
conversin.
PM KClO3 = 122.5 g/mol
PM O2 = 32 g/mol
PM KCl = 74.5 g/mol
REACTOR 1 2
+
5 g KClO3
KCl
1.8 g O2
KClO3= ?
Incgnita:
La reaccin entre el etileno y el bromuro de hidrgeno se
efecta en un reactor continuo. El flujo de productos se analiza y se
encuentra que contiene 50% mol de C2H5Br, 33% mol de HBr. La
alimentacin al reactor contiene slo etileno y bromuro de hidrgeno.
Calcular:
a) El grado de conversin del reactivo limitante.
b) El porcentaje de exceso del reactivo en exceso.
REACTOR 1 2
+
?
?
a) RL = ?
INCGNITAS:
b) %ERE = ?
En el proceso Deacon para la fabricacin de cloro, reaccionan
HCl y O2 para formar Cl2 y H2O. El reactor se alimenta con suficiente aire
para proporcionar 25% de oxgeno en exceso. Si la conversin del HCl
es de 70%, calcular las fracciones molares de los componentes del flujo
a la salida.
Respuestas:
HCl = 0.13, Cl2 = 0.15, H2O = 0.15, O2= 0.06, N2 = 0.51
REACTOR 1 3
+ +
Composicin molar flujo 3
INCGNITA:
RL = 70%
%ERE = 25%
2
21% n O2
79% n N2
HCl
Aire
O2
Cl2
HCl
H2O
El sulfato de aluminio (utilizado en el tratamiento de agua y en
muchos procesos qumicos) se puede preparar haciendo reaccionar
bauxita triturada con cido sulfrico al 77 % en peso. El mineral de
bauxita contiene 55.4% en peso de xido de aluminio, siendo el resto
impurezas. Para producir 2000 lb de sulfato de aluminio se emplean 1080
lb de bauxita y 2510 lb de solucin.
a) Determinar el reactivo en exceso.
b) Calcular el % en exceso.
c) Calcular el grado de conversin de la reaccin
Reaccin:
+ +
REACTOR 1 3
2
55.4%w Al2O3
44.6% w Imp.
+ +
77% w H2SO4 33% w H2O
Al2(SO4)3
H2O
Al2O3
Imp.
H2SO4
mAl2(SO4)3, 3 = 2000 lb
M1 = 1080 lb
M2 = 2510 lb
a) Reactivo en exceso
INCGNITAS:
b) %ERE
c) RL
Bajo ciertas condiciones el N2 e H2 reaccionan de acuerdo a la
siguiente reaccin:
a) Reactivo limitante y reactivo en exceso.
b) % en exceso.
c) lbmol de N2, H2 y NH3 en el equilibrio.
+
Suponiendo que 280 lb de N2 y 64.5 lb de H2 reaccionan a 515
C y 3 atmosferas de presin y que despus de obtener el equilibrio
existen 38 lb de gas, determinar:
d) Grado de conversin de la reaccin.
+
REACTOR 1 2 mN2,1 = 280 lb
N2
H2
NH3
T = 515 C
mH2,1 = 64.5 lb
P = 3 atm. N2 = 38 lbmol
a) RL y RE
b) %ERE.
c) nN2, 2, nH2, 2 y nNH3, 2
d) RL.
INCGNITAS:
En la mayora de los procesos qumicos los reactivos
interactan entre s de muy diversas formas, promoviendo la presencia
de ms de una reaccin qumica (reacciones mltiples) para su
transformacin.
La reacciones mltiples se clasifican en dos tipos:
1. Reacciones sucesivas o reacciones en serie.
2. Reacciones simultneas o reacciones en paralelo.
En este tipo de reacciones un determinado producto
generado en una reaccin, acta como reactivo para consumirse en
otra.
Ejemplos:
+ +
+
El producto C
obtenido en la primera
reaccin, acta como
reactivo en la segunda
reaccin.
+
+ +
Este tipo de reacciones se presentan cuando adems de
generarse el producto de inters mediante alguna reaccin, puede
generarse algn otro producto en otra reaccin con los mismos
reactivos.
Ejemplos:
+
+ +
+
+ +
Tanto en las reacciones sucesivas (en serie) como
en las simultneas (en paralelo), se obtiene algn
producto de inters mediante una reaccin que se conoce
como reaccin principal y tambin se obtiene un producto
indeseable mediante una reaccin que se conoce como
reaccin secundaria.
Cuando se realizan balances de materia con reacciones
qumicas mltiples, debe de tenerse en cuenta lo siguiente:
Cada reaccin qumica tendr su propio reactivo limitante.
Cada reaccin qumica tendr su propio grado de conversin.
Como en las reacciones mltiples se obtienen productos deseados e indeseados surge un nuevo concepto conocido como
selectividad (no siempre se utiliza en los balances), el cual se
expresa como:
=
Si el reactivo en exceso participa en varias reacciones, el clculo de la cantidad terica total ser la suma de las cantidades
tericas en cada reaccin.
Es posible obtener acetaldehdo (CH3CHO) por la
deshidrogenacin cataltica de etanol (C2H5OH) mediante la reaccin:
Sin embargo tambin ocurre una reaccin paralela que produce
acetato de etilo (CH3COOC2H5) :
+
2 +
Supngase que las condiciones de operacin del reactor se
ajustan de modo que reacciona el 95% del etanol alimentado y que la
relacin molar de CH3CHO producido con respecto al C2H5OH
alimentado es de 0.8, Calcule la composicin del producto del reactor,
suponiendo que la alimentacin es etanol puro.
REACTOR 1 2 C2H5OH
+
2 +
C2H5OH = 95%. CH3CHO
CH3COOC2H5
H2
C2H5OH
Composicin = ?
,,
= .
El etanol se produce comercialmente por medio de la
hidratacin de etileno:
Una parte del producto se convierte en dietil ter en la reaccin
secundaria :
+
() +
La alimentacin a un reactor contiene etileno y vapor de agua
en una relacin molar 3:2 y 10 % en mol de sustancias inertes. La
conversin del etileno es de 5% y la selectividad de la produccin de
ter es de 18.0 mol/mol. Calcule la composicin molar del flujo de
salida del reactor.
REACTOR 1 3
C2H4
C2H4 = 5%. C2H5OH
(C2H5)2O
H2 O
C2H4
=, ,
=
+
() +
H2O
In 10% n
C2H4 ,1
H2O,1 =
3
2
El bixido de carbono se puede obtener tratando una piedra caliza
con H2SO4 diluido (12%w de cido). La caliza usada en el proceso contiene
CaCO3 y MgCO3, adems de material insoluble. El residuo del proceso tiene la
siguiente composicin: 8.56%w de CaSO4, 5.23%w de MgSO4, 1.05%w de
H2SO4, 0.53%w de inertes, 0.125%w de CO2 y 84.51%w de H2O.
Durante el proceso se calienta la masa reaccionante desprendindose
parte del CO2 y del H2O. Suponiendo una conversin del 100%, calcular:
+ + +
a) El anlisis de la caliza.
b) El porcentaje en exceso del reactivo usado.
c) La masa y el anlisis de los gases que se desprendieron de la masa
reaccionante por cada 1000 kg de caliza usada.
Las reacciones que se llevan a cabo son:
+ + +
REACTOR 1 3
2
CaCO3
Inertes
12% w H2SO4
88% w H2O
8.56 %w CaSO4
0.53 %w Inertes
1.05 %w H2SO4
a) Composicin flujo 1
INCGNITAS:
b) %EH2SO4
c) RL
Solucin de
H2SO4
MgCO3
+ + +
+ + +
5.23 %w MgSO4
0.125 %w CO2
84.51 %w H2O
CO2
H2O 4