Luis Felipe Miranda

Esperanza MedinaUniversidad Nacional de San Agustín

Los balances algebraicos de procesos son necesarios para determinar los flujos de materiales.

Los flujos de materiales determinan la capacidad de los equipos y, en consecuencia, los costos de los procesos.

BALANCES ALGEBRAICOS

FLUJOS DE MATERIALES

CAPACIDAD DE LOS EQUIPOS

COSTOS DE LOS PROCESOS

La variable fundamental es la conversión “X” de un reactante base:

Para un sistema discontinuo vale:

Para un sistema continuo se define en términos de flujos:

entadosaAmoles

sconvertidoAmolesX

lim

0

0

A

AA

N

NNX

0

0

A

AA

F

FFX

N Número de moles

F Flujo molar

Sea una reacción química de la forma:

Primero hay que garantizar que la reacción tenga el mismo número de átomos de cada especie en ambos lados de la ecuación

Si la reacción tuviese un coeficiente distinto de 1 para el reactante base A, entonces se divide toda la ecuación entre el mismo, para transformarlo a 1.

dDcCbBA

Presenta las relaciones estequiométricas en una reacción química de modo organizado mostrando los flujos iniciales y finales en función de la conversión.

Se presenta una primera tabla estequiométrica para dos reactantes (A, B) y dos productos (C, D), así como un componente inerte (I).

F representa el flujo molar, en moles por unidad de tiempo.

Mi = Fio / FAO

ComponenteInicial Cambio Final

A

B

C 0

D 0

I 0

0AF

00 AII FMF

00 ABB FMF

XFA 0

XFb A 0

XFc A 0

XFd A 0

)1(0 XFA

)(0 XbMF BA

XcFA 0

XdFA 0

IA MF 0

Se aprecia que todos los flujos finales se expresan en función del flujo

De alimentación del componente A.

dDcCbBA

OHCOOCH 2224 22 Reacción:

Condiciones: Se alimenta a un sistema de

combustión 300 moles/hora de Metano y aire con 25

% de exceso para garantizar buena combustión.

Dado que por cada mol de metano se consumen

dos de Oxígeno, y considerando el 25% de exceso

(0.5):

MB = 2+ 0.5

MB =2,5.

Se asume que los productos no son alimentados al

reactor.

Por cada mol de oxígeno que ingresa al reactor, con

él se cargan en el aire (79/21) moles de nitrógeno,

que para este ejemplo es el inerte, entonces

MI = 2,5(79/21).

Componente Inicial Cambio Final

A: metano 300 -300.X 300(1-X)

B: oxígeno 2,5 . 300 -300.(2X) 300(2,5-2X)

C: dióxido 0 +300(X) 300(X)

D: agua 0 +300(2X) 300(2X)

I: nitrógeno 2,5(79/21).300 0 300(9,404)

OHCOOCH 2224 22

Para evaluar dos reacciones se requieren dos variables independientes:

La conversión (X)

La selectividad (S).

La selectividad (S) se define como la cantidad neta producida de una sustancia en referencia a los moles convertidos.

El producto S.X

El flujo del producto C será entonces:

sconvertidoAdemoles

producidosCdemolesS

entadosaAmoles

sconvertidoAmolesX

lim

entadosaAdemoles

producidosCdemolesXS

lim

XSFF AC 0

Determinar los datos de alimentación Establecer los cambios producidos por la primera

reacción en términos de X. Conociendo el flujo del producto deseado C,

FC=FA0.S.X, determinar el cambio producido por la segunda reacción en el componente C, para lo que se realiza un balance en la tabla estequiométrica.

Determinar los totales conociendo las condiciones iniciales y los cambios provocados por las 2 reacciones

Sea el par de reacciones:

El producto deseado es C, siendo E un sub-producto de menor valor.

En la práctica conviene inhibir la segunda reacción

eEfCA

dDcCbBA

Comp. Inicial Cambio

RX1

Cambio RX2 Final

A

B 0

C 0

D 0 0

E 0 0

0AF

00 ABB FMF

XFA 0

XFc A 0

XFb A 0

XFd A 0

XSFA 0)(0 ScXFA

fScXFA /)(0

feScXFA /)(0

f

Sc

XXFA 1

10

b

X

MXF B

A0

dXFA 0

feScXFA /)(0

eEfCA

dDcCbBA

2101266

4662356

2 HHCHC

CHHCHCHHC

El tolueno reacciona con hidrógeno para formar benceno (producto

valioso) y produce metano. Como una reacción indeseada se

Presenta la conversión del benceno en difenilo con producción de

Hidrógeno.

En la alimentación por cada mol de tolueno se inyectan 5 moles de

Hidrógeno al 95% conteniendo 5% de metano. La alimentación de

Tolueno es de 150 moles/hora.

Determinar los flujos de todos los componentes a la salida del reactor.

El concepto de concentración existe para responder a la pregunta:

¿Cuánto hay de esta sustancia?Definición: La concentración de una sustancia es la “cantidad” de la misma por “cantidad” del material que la contiene (aire, agua, etc.).

Se puede expresar en varias unidades. Si el medio que la contiene es aire por ejemplo.

CA = masa de A / volumen de aire[A] = moles of A / volumen de aireXA = masa de A / masa de aireYA = moles of A / moles de aire

PA = presión parcial de A / presión atmosférica

Convertir unidades es necesario, por ejemplo para pasar de una reacción química (en la que por lo general las cantidades se expresan en moles) a la expresión en unidades de masa (en el que por lo general se expresa en gramos)

Rule 1: Masa en gramos = Peso Molecular x Número de moles

Peso Molecular = Σ Pesos Atómicos Ejemplos: H2O: PM = 2x1 + 1x16 = 2 + 16 = 18 gramos por mol CO2: PM = 1x12 + 2x16 = 12 + 32 = 44 gramos por mol H2SO4: PM = 2x1 + 1x32 + 4x16 = 2 + 32 + 64 = 98 gramos por

mol