Balance Algebraico de Reactores, Apuntes de Ingeniería Química

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Luis Felipe Miranda

Esperanza Medina

Universidad 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.

 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:

moles A a entados X molesA convertidos  lim

0

0 A

A A N

N N X

 

0

0 A

A A F

F F X

 

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.

A bB cC dD

Componente Inicial Cambio Final

A

B

C 0

D 0

I 0

FA 0

FI 0 MIFA 0

FB 0 MBFA 0

 FA 0 X

 b FA 0 X

 c FA 0 X

 d FA 0 X

FA 0 ( 1 X)

FA 0 (MBbX)

FA 0 cX

FA 0 dX

FA 0 MI

Se aprecia que todos los flujos finales se expresan en función del flujo De alimentación del componente A.

A bB cC  dD

Reacción: CH 4  2 O 2 CO 2  2 H 2 O

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. 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).

 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:

moles de A convertidos

S moles de C producidos

moles A a entados

molesA convertidos X lim



moles de A a entados

moles de C producidos

S X

lim

FC  FA 0 SX

 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

Comp. Inicial Cambio

RX

Cambio RX2 Final

A

B 0

C 0

D 0 0

E 0 0

FA 0

FB 0 MBFA 0

 FA 0 X

 c FA 0 X

 b FA 0 X

 d FA 0 X

FA 0 X(cS) FA 0 SX

FA 0 X(cS)/ f

FA 0 X(cS)e/f

 

  

 ^    f

c S X

FA 0 X^11



   ^ b X F X MB A 0

FA 0 Xd

FA 0 X(cS)e/ f

A fC eE

A bB cC dD

2 C H C H H

C H CH H C H CH

 

   

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.

 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