Balance de Materia y Energia en Reacciones Quimicas

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. 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.  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.  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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.