Guía de ejercicios resueltos y resumen teórico de conceptos claves en procesos con reacción química, con recirculación y con purga. No incluye balances de energía, solo de masa. Y además trae ejercicios propuestos del tema. Las explicaciones de los resueltos, como siempre, son de gran utilidad para tener claro los conceptos y claves del proceso, aprendidas por la práctica.

1. GUÍA 6 B DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA – Curso Intersemestral
Profesor JUAN ANDRÉS SANDOVAL HERRERA
F.U.A. 2014
BALANCES DE MASA CON REACCIÓN
Porcentaje de conversión por paso: Es el mismo porcentaje
de conversión, pero solo cuando el reactivo ha pasado una
vez por el reactor.
Porcentaje de conversión global: Es el calculado por la
siguiente fórmula:
%C global = entrada reactivoal proceso –salida de reactivo del sistema
Entrada de reactivo al proceso
Multiplicado por 100, obviamente. Aparece solamente
cuando hay separación de productos y recirculación de
reactivos sin reaccionar.
El porcentaje de conversión global es mayor siempre al
porcentaje de conversión por paso.Y es igual a 100% solo si
la separación de reactivos sin reaccionar y de productos, es
eficiente al 100%. O sea, en un proceso ideal.
Esto se explica mejor con los siguientes ejemplos:
EJEMPLO 1. Considere el proceso representado por el
siguiente diagrama de bloques:
Calcule los porcentajes de conversión.
Solución: Se ve que entran al proceso 75 mol/min de A y no
sale nada (sale solamente B) Al reactor entran 100 mol/min
de A y salen 25 mol/min de A. Entonces, calculando:
* Primero el “por paso”:
100−25
100
∗ 100% = 75%
* Ahora el global:
75−0
75
∗ 100% = 100%
Como se aprecia, la separación de reactivo A y de producto
B fue ideal, por eso la conversión global fue del 100%.
EJEMPLO 2. Considere el proceso representado por el
siguiente diagrama de bloques:
Calcule los porcentajes de conversión.
Solución: Según el diagrama entran al proceso 60 mol de A y
salen 10 mol. Al reactor entran 200 mol y salen 150 mol de
A. Entonces, calculando:
* Primero el “por paso”:
200−150
200
∗ 100% = 25%
* Ahora el global:
60−10
60
∗ 100% = 83,3%
A diferencia del anterior ejemplo, aquí la conversión global
fue menor al 100%, debido a que no se separaron
completamente el producto B del reactivo A y salió algo de
A, sin recircularse. Esto sería algo indeseado en un proceso,
porque se perdería materia prima. Por eso es recomendable
una buena separación y la consecuente recirculación. Pero
siempre va a existir algo de pérdidas en todo proceso.
Purga En todo proceso, entran algo de impurezas en las
materias primas. Además, algunas sustancias coexisten
siempre con otras de mayor valor, y aunque entran al
proceso, no participan en la reacción, se llaman inertes.
Ambas, impurezas e inertes, se deben retirar de la
recirculación, y por ende del proceso, por medio de una
purga.
Esta purga, es en sí, una salida lateral de la corriente de
recirculación, que tiene la misma composición, pero
disminuyeel flujo y, por consecuencia,su aporte a la mezcla
con el alimento fresco,de forma que el alimento combinado
contenga una cantidad menor de esas sustancias de la que
tendría si no existiera esa purga. Veamos con un ejemplo.
EJEMPLO 3. El metanol se obtiene a partir de gas de síntesis
por reacción de monóxido de carbono con hidrógeno, así:
𝐶𝑂2 + 3𝐻2 → 𝐶𝐻3 𝑂𝐻 + 𝐻2 𝑂
En un proceo particular, entra un alimento fresco con
Hidrógeno, Dióxido de carbono y un 0,4% molar de
sustancias inertes. La alimentación al reactor (No la
alimentación fresca al proceso),contiene28% molar de CO2,
70% molar de H2 y 2% molar de inertes. La conversión en un
paso,del Hidrógeno, es 60%. El efluente (salida) del reactor
pasa a un condensador donde se retiran todo el metanol y
el agua formados, pero nada de reactivo ni de inertes, los
cuales se recirculan, pero con una purga antes de la mezcla
con el alimento fresco,con el fin de evitar la acumulación de
inertes en el reactor que dañarían el catalizador.Calcule las
velocidades de alimentación fresca, la alimentación
combinada y la purga, para una producción de 155 kmol/h
de metanol. Así mismo, calcule todas las composiciones.
Desarrollo:
Como regla de oro, si se conoce la concentración de la
corriente de alimentación al reactor, (alimentación
combinada) y no la de la alimentación fresca, es mejor
tomar la base de cálculo ahí; y no importa si dan datos de
otra corriente, en este caso la de producción de metanol,
porque luego se pueden ajustar los resultados. En este caso
se toman 100 mol de alimentación al reactor. O sea que
entran al reactor: 28 moles de CO2, 70 moles de H2 y 2
moles de inertes (Ine)
AnálisisdeGrados de libertad Globales.En el sistema Global
hay 7 incógnitas (3 corrientes y 4 composiciones: dos en la
corriente 6, una en la corriente 4 y una en la corriente 1)
Hay una reacción. Y hay solamente 5 balances
independientes: CO2, H2, CH3OH, H2O e Ine. Con lo cual,
G.L.= 7+1-5=3. No se puede empezar por el sistema global.
Análisis de Grados de liberta en el Reactor: incógnitas: n3,
𝑌𝐶𝑂2
3
, 𝑌 𝐻2
3
, 𝑌𝐶𝐻3𝑂𝐻
3
= 4. 1 reacción. 4 balances independientes
(No 5 porque el del Ine se conoce que como es inerte, lo
que entra es igual a lo que sale). 1 conversión por paso.
G.L.= 4+1-4-1=0. Entonces, se puede empezar la solución
por esta parte del proceso.

2. Balances en el reactor:
De H2: salidas = entradas – consumo:
Salidas = 70 – (70*0,6) = 70 – 42 = 28 mol
De CO2: salidas = entradas – consumo:
Salidas = 28 – (42*1/3) = 28 – 14 = 14 mol
Ese “1/3” es la relación estequiométrica según la ecuación
balanceada, entre CO2 y H2, en ese orden.
De CH3OH: salidas = generación
Salidas = 42 * 1/3 = 14 mol (El 1/3 es la relación
estequiométrica entre CH3OH y H2.
De H2O: salidas = generación
Salidas = 42 * 1/3 = 14 mol (El 1/3 es la relación
estequiométrica entre CH3OH y H2O.
Entonces, la corriente 3 será: 28+14+14+14+2= 72 mol
Y la corriente 4 será: n4 = 14 + 14 = 28 mol (Agua y metanol)
Y la corriente 5 será: n5 = 72 – 28 = 44 mol (CO2, H2 e Ine)
Balances en el condensador:
Ya se saben las corrientes, ahora falta saber las
composiciones de estas corrientes.
𝑦𝐶𝑂2
3
𝑛3 = 𝑦𝐶𝑂2
5
𝑛5 𝐴𝑠í, 14 = 𝑦𝐶𝑂2
5
44, 𝑎𝑠í: 𝑦𝐶𝑂2
5
= 0,3182
𝑦 𝐻2
3
𝑛3 = 𝑦 𝐻2
5
𝑛5 𝐴𝑠í, 28 = 𝑦𝐶𝑂2
5
44, 𝑎𝑠í: 𝑦𝐶𝑂2
5
= 0,6364
𝐸𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠, 𝑦𝐼𝑛𝑒
5
𝑛5 = 2, 𝑎𝑠í: 𝑦𝐼𝑛𝑒
5
= 0,04545
Y estas son las mismas composiciones que en la purga y que
en la recirculación, porque hay un punto de derivación o
división de corrientes, donde n5 = n6 + n7
Balances en el punto de mezcla:
Corrientes: n1 + n7 = n2 = 100 moles
Inertes: 𝑦𝐼𝑛𝑒
1
𝑛1 + 𝑦𝐼𝑛𝑒
7
𝑛7 = 2 moles Entonces, como se
sabe la composición de inertes en 1 y en 7, quedaría:
0,004𝑛1 + 0,04545 𝑛7 = 2
Entonces, resolviendo este sistema 2X2, se encuentra que:
Las corrientes son: n1= 61,4 mol y n7= 38,6 mol
Las composiciones serían:
𝑦𝐶𝑂2
1
𝑛1+ 𝑦𝐶𝑂2
7
𝑛7 = 28: 𝑦𝐶𝑂2
1
= (28 − 0,3182 ∗ 38,6)/61,4
𝑦𝐶𝑂2
1
= 0,256
Y la del H2 sería: 𝑦 𝐻2
1
=1-0,004-0,256 = 0,74
Balances en el punto de derivación:
Aquí ya lo único que hace falta saber es la corriente de
purga: n5 = n6 + n7, entonces, n6 = 5,4 moles (compruebe)
Ajuste de la escala del balance
Para la base supuesta de alimentación al reactor, de 100
moles, la producción de metanol es de 14 mol. Ahora, se
requiere producir 155 kmol/h de metanol, entonces, hay
que ajustar las corrientes, multiplicando cada una por el
factor de conversión siguiente:
155 kmol/h metanol
14 mol metanol
Esto es: 11,1 (kmol/h)mol
De esta manera, las nuevas corrientes serán:
n1 = 61,4*11,1 = 681 kmol/h
n2 =1110 kmol/h
n3 = 72*11,1 = 806,4 kmol/h
n4 = 310,8 kmol/h
n5 = 488,4 kmol/h
n6 = 59,94 kmol/h
n7 = 428,46 kmol/h
Las composiciones no cambian.Tampoco las relacionesde
recirculación o de purga. Comprobar.
EJERCICIOS PARA RESOLVER
1. Capítulo 4 del Felder. Ejercicios 39,40,42 y 43.
2. Una mezcla de N2 e H2 con una relación en masa
(nitrógeno/hidrógeno) equivalente a 2.8, se alimenta a un
reactor de amoniaco. Si el grado de conversión de la
reacción es del 15%, determinar:
a) La composición molar delos gases (N2 + H2) que salen del
proceso luego de condensado el amoniaco producido.
b) Las libras degases por libra deamoniaco condensado
3. En el proceso Deacon para la manufactura del cloro, el
HCl y O2 reaccionan para formar Cl2 y H2O. Se alimenta
suficiente aire al reactor como para proveer un 30% en
exceso de oxígeno y la conversión del HCl es de 70%.
Calcular:
a) La composición molar dela corriente de producto.
b) La fracción molar decloro en el gas que permanecería si
toda el agua del gas producido se condensara.
4. Es posible obtener el acetaldehído, CH3CHO, por la
deshidrogenación catalítica de etanol, C2H5OH, mediante la
reacción:
C2H5OH→ CH3CHO + H2
Ocurre tambien, sin embargo, una reacción paralela que
produce acetato de etilo, CH3COOC2H5:
2 C2H5OH → CH3COOC2H5 + 2 H2
Suponiendo que en un reactor determinado se ajustan las
condiciones,demodo que se obtiene una conversión de
etanol de 95%, con un rendimiento de 80% de acetaldehído.
Calculela composición del producto del reactor, suponiendo
que el alimento es etanol puro.
5. Problema 4.61 del Felder. Este lo dejé de último por su
grado de dificultad, sin embargo, es factible de realizar.
Todos los demás que estén en el wikispaces o en el dropbox.
Consultar.