Republica Bolivariana De Venezuela
Ministerio Del Poder Popular Para La Educación Superior
Instituto Universitario Politéc...
Es un proceso industrial de contabilidad exacta de los materiales
que entran, salen, se acumulan ose agotan en el curso de...
 Para procesos donde no tengan lugar reacciones químicas, es
preferible el empleo de unidades de peso tales como gramos
o...
 Es importante la admisión del mayor número de ecuaciones
verdaderamente independientes.
 Si dos o más sustancias cuales...
Equipos utilizados para realizar reacciones químicas son
generalmente de vidrio transparente, en el se puede observar los
...
Principio de la conservación de la masa y la energía: la suma de
masa (M) y la energía (E) de un sistema aislado no puede ...
Las variaciones en el tiempo serian nulas:
𝑑𝑀
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El reactor está dotado de un sistema de refrigeración, que es
capaz de eliminar del reactor 475000 kcal/h. Determinar:
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SOLUCION:
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TS125ºC
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CORRIENTE S:
HNO₃: (7,52)(0,9)= 6,768Kmoles----- 7,23%
O₂: (7,68-(3/4)6,768)= 2,604Kmoles----- 2,78%
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CORRIENTE P:
HNO₃: 6,768kMOLES⋄(6,768)(63)= 426,38kg
H₂O: (*)(426,38)(0,35/0,65)= 229,59Kg⋄(229,59)/(18)= 12,75Kmoles
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Balance de Energía:
∑ΔHproducto-∑ΔHreactivos+∑ΔHreacción=Q
∑ΔHproducto=
(3,493)[(6,768)(32,445)+(0,752)(8,05)+(2,604)(8,27...
Para fabricar formaldehído se hace reaccionar una mezcla de metano y aire en un lecho
catalítico, en el que tiene lugar la...
Datos:
Componente
Calor Especifico
Molar
Medio (KJ/Kmol K)
Entalpia De
Formación A 25ºC
(KJ/Mol)
Metano (g) 129.6 -75.03
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Base de cálculo= 100 kmoles CH₄
Reacciones:
CH₄ + O₂------ HCOH + H₂O (Conversión 13%)
CH₄ + 2 O₂----- CO₂ + 2H₂O (Convers...
Como realmente se producen 13.3 kg H20/4 h, el caudal de agua será:
13.3
(18)(4)
= 8.1847 Kmol/h
Hay que recalcular todas ...
Por otro lado el balance entálpico queda:
∑ΔHproducto-∑ΔHreactivos+∑ΔHreacción=Q
∑Δhproducto=
[(129.6)(1.141)+(129.6)(0.17...
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Balance de materia y energia en reacciones quimicas

  1. 1. Republica Bolivariana De Venezuela Ministerio Del Poder Popular Para La Educación Superior Instituto Universitario Politécnico ¨Santiago Mariño¨ Valencia. Edo: Carabobo Ing. Industrial Profesor: Ing. Morillo Área: Ing. Química Integrantes: Castellanos Isabel Ortega Cindy Gonzales Ybrain Zamora Eneida Valencia, 10/08/2015
  2. 2. Es un proceso industrial de contabilidad exacta de los materiales que entran, salen, se acumulan ose agotan en el curso de un intervalo de tiempo de operación dado. Un balance de materia es de este modo una expresión de la ley de conservación de la masa. El principio general de los cálculos de balance de materia es establecer un número de ecuaciones independientes igual al número de incógnitas de composición y masa por ejemplo:  Si no existe reacción química de nada sirve establecer balances de materia para los elementos químicos presentes.  Si tienen lugar reacciones químicas, se hace necesario desarrollar balances de materia basados sobre elementos químicos, o sobre radicales compuestos o sustancia que no se alteren, descompongan o formen en el proceso.
  3. 3.  Para procesos donde no tengan lugar reacciones químicas, es preferible el empleo de unidades de peso tales como gramos o libras. Para procesos en los que tienen lugar reacciones químicas, es conveniente utilizar el mol-libra, o el átomo- gramo o el átomo-libra.  El número de magnitudes desconocidas que ha de ser calculado no puede exceder al número de balances de materia independientes que se puedan plantear; de otra forma el problema es indeterminado.  Si el número de ecuaciones de balance de materias independientes es mayor que el número de masas desconocidas que se van a calcular, ha de aplicarse un cierto criterio para determinar que ecuaciones deberán elegirse para resolver el problema.
  4. 4.  Es importante la admisión del mayor número de ecuaciones verdaderamente independientes.  Si dos o más sustancias cualesquiera se encuentran en proporciones fija una respecto de la otra en cada corriente que intervienen, solo puede escribirse una ecuación de balance de materia independiente con respecto aquellas sustancias.  Una sustancia que aparece en una corriente que entra y otra que sale sirve como referencia para los cálculos y se denomina sustancia de unión.
  5. 5. Equipos utilizados para realizar reacciones químicas son generalmente de vidrio transparente, en el se puede observar los resultados de dicha reacción y soportando así perfectamente el calor aplicado cuando sea necesario.  El vidrio pírex  Equipos De Volumen  Equipos De Presión  Crisol  Capsulas De Porcelana
  6. 6. Principio de la conservación de la masa y la energía: la suma de masa (M) y la energía (E) de un sistema aislado no puede crearse ni destruirse, solo transformarse. M+E= constante M+E=K Si se considera un sistema S, fijo en el espacio, abierto (que intercambia masa y energía con el entorno): M: Msistema-Mentra+Msale=K1 E: Esistema-Eentra+Esale=K2 ∑ΔHproducto-∑ΔHreactivos+∑ΔHreacción 25ºC=Q
  7. 7. Las variaciones en el tiempo serian nulas: 𝑑𝑀 𝑑𝑡 = 𝑑𝑀𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑡 − 𝑑𝑀𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑡 + 𝑑𝑀𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑡 = 0 𝑑𝐸 𝑑𝑡 = 𝑑𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑡 − 𝑑𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑡 + 𝑑𝐸𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑡 = 0 O bien: 𝑑𝑀𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑡 = 𝑑𝑀𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑡 − 𝑑𝑀𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑡 Balance de Materia 𝑑𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑡 = 𝑑𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑡 − 𝑑𝐸𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑡 Balance de Energía La variación de la masa de un componente en el sistema se puede deber a la formación o consumo por reacción. Si el sistema esta formado por N componentes, se puede plantear el balance de materia para cada uno de ellos:
  8. 8. Velocidad de acumulacion i= (velocidad de reacción i) + (flujo de entrada de i) – (flujo de salida de i). Para un sistema de N componentes, se pueden plantear N ecuaciones de balance de materia por componente, y 1balance de materia total, o sea, N + 1 ecuaciones, pero solo N son independientes. Los balances de materia y energía se caracterizan por cada una de las corrientes presentes en un proceso químico al especificar variables tales como: Temperatura, presión, Flujos molar o másico, composiciones, entalpías, etc. Basados en el principio de conservación de la materia y de la energía.
  9. 9. Las condiciones que debe cumplir un balance de materia y energía en reacciones químicas es:  Estado estacionario: que permite la constancia de las sustancias en procesos reales de flujo continuo.  Presión constante: Es un proceso mediante el cual se le permite a las composiciones químicas agua, combustible mantener una presión durante el proceso.
  10. 10. En un proceso continuo y estacionario para la fabricación de ácido nítrico, según la reacción: NO + 3/4 02 + 1/2 H2 HN03 Se logra una conversión del 90% del NO alimentado al reactor. La mezcla gaseosa que se introduce al reactor a 125 0C, proviene de la oxidación catalítica de NH3 en un convertidor con aire adicional, teniendo la siguiente composición molar : 7.68% de 02, 7.52% de NO, 14.05% de H20 y 70.75% de N2. Por otra, se introduce el agua necesaria para la reacción, también a 125 0 C. La mezcla de reacción se lleva a un separador del que se obtienen dos corrientes: una gaseosa que puede considerarse libre de agua y una líquida con un 65% en peso de HN03, esta última a razón de 55000 kg/día.
  11. 11. El reactor está dotado de un sistema de refrigeración, que es capaz de eliminar del reactor 475000 kcal/h. Determinar: a) La composición molar y los caudales másicos (kg/h) de todas las corrientes del sistema. b) La temperatura de salida de los gases que abandonan el reactor. Datos: PRODUCTO CALOR ESPECIFICO (Kcal/Kmol ºC) H2O 8.22 O2 8.27 NO 8.05 N2 6.5 HNO3 32.44 PRODUCTO CALOR REACCION ΔHi 25ºC (Kcal/Kmol ºC) H2O -68317 NO 21600 HNO3 -41350
  12. 12. SOLUCION: 7.68% O₂ 7.52% NO 14.05% H₂O 70.75% N₂ Base calculo: 100Kmoles/h de A TS125ºC A XH₂O 125ºC P (55000Kg/dia) HNO₃ 65% peso H₂O NO O₂ N₂
  13. 13. CORRIENTE S: HNO₃: (7,52)(0,9)= 6,768Kmoles----- 7,23% O₂: (7,68-(3/4)6,768)= 2,604Kmoles----- 2,78% NO: (7,52)(0,1)= 0,752Kmoles----- 75,56% N₂: 7,75Kmoles----------------- 75,56% H₂O: (14,05+X)-(1/2)(6,768)= 12,75Kmoles (ver*)----- 13,61% Total: 93,62Kmol. CORRIENTE T: O₂: 2,604Kmoles----- 3,51% NO: 0,752Kmoles----- 1,01% N₂: 70,75Kmoles----- 95,47% Total: 74,106Kmoles.
  14. 14. CORRIENTE P: HNO₃: 6,768kMOLES⋄(6,768)(63)= 426,38kg H₂O: (*)(426,38)(0,35/0,65)= 229,59Kg⋄(229,59)/(18)= 12,75Kmoles (14,05+*)-(1/2)(6,768)= 12,75Kmoles; Luego * = 2,084Kmol H₂O/100 Kmol A Total: (6,768+12,75)= 19,518 Kmoles Producción de P - (229.59 + 426.38) - 655.97 kg Para una producción de 55000 kg/día, es decir 2291.66 kg/h, hay que recalcular las corrientes teniendo en cuenta el factor: (2291.6/655.97) 3.493 El resultado final es: A= 349.35 kmol/h<>9449.47 kg/h X= 7.279 kmoles<>131.03 Kg/h S= 327.03 kmoles<>9580.50 kg/h T= 258.85 kmol/h<>7289.50 kg/h P= 68.18Kmol/h<>2291.00 kg/h
  15. 15. Balance de Energía: ∑ΔHproducto-∑ΔHreactivos+∑ΔHreacción=Q ∑ΔHproducto= (3,493)[(6,768)(32,445)+(0,752)(8,05)+(2,604)(8,27)+(70,75)(6,5)+(12,75)(8,22)](T-25)= 2835,8T-70895. ∑ΔHreactivos= (3,493)[(7,52)(8,05)+(14,05)(8,22)+(70,75)(6,5)+(2,084)(8,22)](1,25-25)= 250289,55Kcal/h ∑ΔHreacción 25ºC = [(3,493)(6,768)][(-41350)-(21600-(68317/2))]= -680649Kcal/h 2835,8T-70895-250289,55-680649=-475000 T= 185,78ºC
  16. 16. Para fabricar formaldehído se hace reaccionar una mezcla de metano y aire en un lecho catalítico, en el que tiene lugar la reacción: CH4 + 0₂ HCOH + H20 Al reactor se alimenta aire fresco y metano a 1770C y presión atmosférica. Para mejorar el rendimiento se introduce 100% de exceso de aire respecto al estequiométrico. A pesar de ello, sólo se transforma en formaldehído el 13% del metano alimentado, quemándose 0.5% del mismo a dióxido de carbono y agua. Los gases calientes abandonan el reactor a 192 ºC. Para eliminar el calor desprendido en la reacción se hace circular agua a 27 ºC por una camisa exterior, de la que sale a 41 ºC. En un ensayo de 4 horas se obtuvieron en los productos de reacción 13.3 kg de agua. Calcular el caudal de agua de refrigeración necesario.
  17. 17. Datos: Componente Calor Especifico Molar Medio (KJ/Kmol K) Entalpia De Formación A 25ºC (KJ/Mol) Metano (g) 129.6 -75.03 Formaldehido (g) 129.6 -40.00 Agua (v) 34.6 -241.60 Dióxido de Carbono (g) 43.2 -393.10 Oxigeno (g) 32.2 -- Nitrógeno (g) 29.1 -- H₂O 27ºC 92 ºC 41ºC (100% exceso) AIRE, 177ºC CH₄, 177ºC REACTOR CH₄ O₂ H₂O N₂ CO₂ HCOH
  18. 18. Base de cálculo= 100 kmoles CH₄ Reacciones: CH₄ + O₂------ HCOH + H₂O (Conversión 13%) CH₄ + 2 O₂----- CO₂ + 2H₂O (Conversión 0.5%) Aire alimentado: O₂ estequiométrico =100 kmoles O₂ alimentado= (100)(2)= 200 kmoles N₂ alimentado = (200) (0.79/0.21)= 752.38 kmoles Total aire= 952.38 kmoles Gases de salida: N₂: 752.4 kmoles ------ 71.49% CH₄ : 100-(0.13)(100)-(0.005)(100)= 86.5 Kmoles---- 8.22% HCOH: (0.13)(100)=13 Kmoles--------- 1.23% CO₂: (0.005)(100)= 0.5 Kmoles-------- 0.05% O₂: (200-13-(2)(0.5))= 186 Kmoles--------- 17.67% H₂O: 13+(0.5)(2)= 14Kñoles----------- 1.34% Total: 1052.4 Kmoles----------------- 100%
  19. 19. Como realmente se producen 13.3 kg H20/4 h, el caudal de agua será: 13.3 (18)(4) = 8.1847 Kmol/h Hay que recalcular todas las corrientes utilizando el factor (0.01847/14)= 0.01319 La solución será: Metano alimentado= 1.319 kmoles Aire alimentado: O₂ alimentado= 2.638 Kmoles N₂ alimentado= 9.927 Kmoles Total aires= 12.56 Kmoles Gases de salida: N₂: 9.927 kmoles CH₄: 1.141 kmoles HCOH: 0.1715 kmoles CO₂: 0.00659 kmoles O₂: 2.454 kmoles H₂O: O. 1847 kmoles
  20. 20. Por otro lado el balance entálpico queda: ∑ΔHproducto-∑ΔHreactivos+∑ΔHreacción=Q ∑Δhproducto= [(129.6)(1.141)+(129.6)(0.1715)+(34.6)+(43.2)(0.00659)+(32.2)(2.454)+(29.10)(9.927)](19 5-25)= 90959KJ/h ∑ΔHreactivos= [(1.319)(129.6)+(2.368)(32.2)+(9.927)(29.1)](177-25)= 81842 KJ/h ∑ΔHreacción 25ºC= [(0.1715)(-40000-241600-(-75030))]+[(0.00659)(393100-(2)(241600)-(- 75030))]= -40706KJ/h Q= 90959.8-81482-40706= -31228.5 KJ/h= m (4.18)(41-27) m= 533.64Kg/h.

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