Guía para la clase de Balances de Materia en Sistemas Reactivos

1. Coordinación de Ciencia y Cultura de la Alimentación.
Unidad Curricular: Principios de Ingeniería Aplicada a los Alimentos I
Prof. Mario Yovera Reyes
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Unidad II: Balances de materia
Balances de materia en sistemas reactivos
1. Reacciones químicas:
Son los cambios que evidencian las transformaciones que le ocurren a determinadas
substancias que desaparecen de un sistema, llamados “reactivos”, en la que se forman, generan
o producen otras substancias con características químicas diferentes a estos llamados
“productos”. Este cambio químico se representa por la ecuación química general:
sProductoReactivos   DCBA 
2. Clasificación de las reacciones químicas:
Las reacciones químicas se pueden clasificar según el tipo de transformación que
experimenta la materia, desde un punto de vista elemental y general en los siguientes:
a. Combinación: Es la unión de dos o mas elementos o substancias para formar un único
compuesto. Entre estos se incluyen: a) la combinación de dos elementos para formar un
compuesto; b) la combinación de un elemento y un compuesto y c) la combinación de dos
compuestos: ABBA 
     ggs SOOS 22 
     g
CCl
gg ClCHCHClClCHCH   22222
4
     sss CaCOCOCaO 32 
b. Desplazamiento: Es la unión de un elemento con un compuesto con la liberación de uno
de los elementos combinados en el mismo; se dice, el elemento ha sido desplazado por
otro elemento: BACBCA 
         gacsac HZnClZnHCl 222
         gacls HNaOHOHNa 22 222
         sacsac CuZnSOZnCuSO 44

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c. Descomposición: Es la formación de dos o mas substancias mas sencillas, elementales o
no elementales, a partir de un compuesto determinado: BAAB 
      
ggl OHOH 222 22
      
gss
OKClKClO 23 322
d. Doble descomposición o metátesis: Es la relación entre dos compuestos con intercambio
de elementos y formación de dos nuevos compuestos químicamente análogos a los
reaccionantes. Entre las reacciones más comunes dentro de este tipo están las reacciones
de precipitación y las reacciones de neutralización (ácido-base): CBADCDAB 
         sacacsac
AgClNaNONaClAgNO 33
       lacacac OHSONaNaOHSOH 24242 22 
3. Variables de los procesos reactivos:
a. Reactivo limitante y exceso: El reactivo limitante es el reactivo que se encuentra en
menor proporción respecto a la estequiometría de la reacción; Se dice, es el reactivo que
desaparece primero cuando se lleva a cabo completamente una reacción. El reactivo en
exceso es el que está presente en mayor proporción respecto a la estequiometría de la
reacción; Se dice, es el reactivo que queda sobrante cuando se ha terminado la reacción
b. Conversión: Es la relación que existe entre la cantidad de substancia (moles) consumidas
en la reacción entre la cantidad de substancia alimentada al proceso. La conversión esta
definida en base al reactivo limitante solamente:
entadoslimMolesA
midosMolesConsu
Conversión  100
entadoslimMolesA
midosMolesConsu
Conversión%
c. Rendimiento: Es la relación que existe entre la cantidad de substancia (moles) producidas
en la reacción entre la cantidad de substancia alimentada al proceso
entadoslimMolesA
oducidosPrMoles
ientodimnRe  100
entadoslimMolesA
oducidosPrMoles
ientodimnRe%

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4. Reacciones químicas comunes en alimentos:
 Reacción de fermentación: Alcoholes: OHCHCHCOOHC FERMENTO
2326126  
Vinagre:  
OHCOOHCHOHCHCH
cetiBacteriumA
O
23
2
23 
Láctica:   OHCOCOOHCHCOOHCHCHCOOHOHCHCH 223233 
 Reacción de neutralización: OHCOONaRNaOHCOOHR 2
 Reacción de hidrogenación: COOHCHCHHCOOHCHCH rCatalizado
  2322
 Industria del pan y galletería: OHCOCONaNaHCO 22323 
OHCOSalessSalesAcidaNaHCO 223  
*Sales ácidas: Fosfato mono cálcico
5. Balances de materia en los sistemas reactivos:
La ecuación general de balance de materia queda expresada de la siguiente forma:
   CSGE nnnnCSGE
Donde los términos :G generación y :C consumo representan las cantidades de materia que
aparecen y desaparecen en la reacción química. El balance de materia por componente es:
          CASAGAEA nnnnCSGE
Siendo Nyn AA 
Ejemplos
1. Dada la reacción química hipotética: DCBA  ; Calcula la cantidad de sustancia
de entrada y salida y la composición a la salida del reactor si la conversión es de %60
 molesN1
molesmolesB,y
molesmolesA,y
B
A
20
80


 molesN2
Reactor
Químico
?y
?y
?y
?y
D
C
B
A





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2. En la reacción de combustión, el metano se quema con oxígeno para producir dióxido de
carbono y agua. El reactor se alimenta con una mezcla de gases cuya composición molar es:
%20 de 4CH ; %60 de 2O y %20 de 2CO . La reacción alcanza una conversión de %90
del reactivo limitante. Dibuja el diagrama de flujo y calcula los moles y la composición
molar del flujo de salida del reactor
3. En la producción de margarinas y grasas vegetales saturadas para aplicaciones en repostería
y otros usos, se emplea el proceso de hidrogenación de los aceites vegetales. Este proceso
consiste en adicionar hidrógeno a las ramificaciones de ácidos grasos insaturados de los
triacilglicéridos para formar triacilglicéridos de ácidos grasos saturados, para elevar su
punto de fusión y hacerlo más cremoso destinado a bases de grasas sólidas. En una industria
alimentaria nacional se utiliza el aceite vegetal como materia prima para la hidrogenación.
La composición másica de los triacilglicéridos del aceite vegetal es: %15 de triestearina y
%85 de trioleína. La hidrogenación consiste en hacer reaccionar la trioleína con hidrógeno
para formar triestearina. La hidrogenación se efectúa en un %90 , según la reacción:
   
   
    3727222
372722
3727222
CHCHCHCHCHCOCH
CHCHCHCHCHCHOC
CHCHCHCHCHCOHC



  CalorPt
H ,
23
 
 
  316222
31622
316222
CHCHCOCH
CHCHCHOC
CHCHCOHC
Se alimenta el tanque de hidrogenado con kg500 de aceite vegetal y 20004 molH. . Datos
adicionales: molgrMOleína 884 y molgrMEstearina 890
a. Dibuja y etiqueta el diagrama de flujo del proceso de hidrogenación de aceite de maíz
b. Calcula las cantidades de reactivos en unidades molares
c. Determina el reactivo limitante y el reactivo en exceso
d. Realiza los cálculos teóricos en base a la estequiometría de la reacción
e. Realiza los balances de materia en unidades molares
f. Calcula la cantidad y composición del producto en la descarga del hidrogenador
g. Comprueba los resultados con un balance de materia global en unidades másicas