Balance de materia con reacción química

Balance de materia en estado
estacionario con reacción química
Contenido:
Estequiometría
 Reactivo limitante y reactivo en exceso
 Fracción de conversión (% de conversión)
 Ecuación de balance de materia en estado
estacionario para procesos reactivos
 Métodos para realizar balances de materia en
procesos reactivos
 Procesos de combustión
UMEFM-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Ing. Sheila Rivero

Estequiometriay relaciones estequiométricas

Considere la siguiente reacción: C7H16 + 11 O2-------7 CO2 + 8 H2O. Si reaccionan
10 Kg de C7H16 con todo el oxígeno; entonces cuántos Kg de CO2 se producen.
PM C7H16 = 100 Kg/Kgmol PM CO2 = 44 Kg/Kgmol
Solución:
KgCO
KgmolCO
KgCO
H
KgmolC
KgmolCO
H
KgC
H
KgmolC
H
KgC 8
,
30
1
44
*
1
7
*
100
1
*
10
2
2
16
7
2
16
7
16
7
16
7 
A partir de 10 Kg de C7H16 se producen 30,8 Kg de CO2
Para Practicar:
a) Del ejemplo anterior, calcule cuántos Kg de O2 se requieren para
reaccionar con 10 Kg de C7H16. PM O2 = 32 Kg/Kgmol
b) Se van a producir 1600 Kg/h de SO3 según la reacción
2SO2 + O2 -------2 SO3.
Calcular la cantidad de oxígeno necesario para que ocurra la reacción.
(Determine los pesos moleculares necesarios).

Reactivo limitante y reactivo en exceso

Considere la hidrogenación de acetileno para formar etano según la reacción:
C2H2 + 2 H2-------C2H6
Suponga que se alimentan al reactor 20 Kmol/h de acetileno y 50 kmol/h de
hidrógeno. Determine cual es el reactivo limitante.
Solución:
Alimentación al
reactor
20 Kmol C2H2
50 Kmol H2
Relación real: Relación estequiométrica:
2
2
2
2
2
2
4
,
0
50
20
KmolH
H
KmolC
KmolH
H
KmolC

2
2
2
2
2
2
5
,
0
2
1
KmolH
H
KmolC
KmolH
H
KmolC

El reactivo limitante (RL) es el C2H2
Reactivo en exceso: H2
Moles requeridos de H2: 2
2
2
2
2
2 40
1
2
*
20 KmolH
H
KmolC
KmolH
H
KmolC 
100
*
_
_
lim
_
%
trico
estequiomé
mol
trico
estequiomé
mol
entados
a
mol
Exceso


%
25
100
*
40
40
50
)
(
% 2 


kmol
kmol
kmol
H
Exceso

% de conversión:
100
*
lim
_
_
_
%
entados
a
moles
on
reaccionar
que
moles
Conversión 
%
80
50
_
40
%
2
2


KmolH
kmolH
Conversión
Para Practicar:
a) Si se alimentan 20 mol/min de un reactivo y el % de conversión es
80%. ¿Cuántos moles reaccionaron?
b) Se alimentan 30 gmol de CH4 y 70 gmol de O2 a un reactor.
Formule la reacción química que ocurre y determine cuál es el
reactivo limitante, el reactivo en exceso y el % de reactivo en
exceso.

Balance de materiaen estado estacionario
con reacciónquímica
Cuando ocurre una reacción química, el balance de materia
de una sustancia NO tiene la forma sencilla,
ENTRADA = SALIDA
En los procesos reactivos se incluye los términos, GENERACIÓN y CONSUMO.
Recordemos que en estado estacionario el término ACUMULACIÓN desaparece.
Por lo tanto la ecuación general de balance de materia conocida hasta ahora:
ENTRADA + GENERACIÓN – CONSUMO – SALIDA = ACUMULACIÓN
ENTRADA + GENERACIÓN – CONSUMO = SALIDA
Se reduce a:

Para el balance de materia en estado estacionario con ocurrencia de reacción
química, se emplean los siguientes métodos:
Balance por especies moleculares:
Para un compuesto presente en el sistema se aplica la
ecuación general de balance:
nentran –nconsumidos + ngenerados = nsalen
Balance por especies atómicas:
Se considera cada especie atómica que participa en el
proceso, presente en algunos componentes:
nentran = nsalen
Balance por grado de avance:
Para cada compuesto presente en el sistema se aplica
nsalen = nentran ±β Ԑ
β = coeficiente estequiométrico (- Reactivos ; + Productos)
Ԑ = grado de avance de la reacción

Ejercicio:
En la reacción de combustión del metano (CH4) se obtiene como producto CO2 y
H2O. Se alimentan a un reactor 1000 mol/h de una mezcla constituida de 20% de
metano, 60% oxígeno y 20% de CO2. El reactivo limitante alcanza una conversión
de 90%. Empleando los tres tipos de balance de materia con reacción química,
determine los moles producidos a la salida del reactor.
CH4 + 2 O2 ------CO2 + 2H2O
YCH4 = 0,2
YO2 = 0,6
YCO2 = 0,2
CH4
O2
CO2
H2O
Alimentación:
1000 mol
CH4 = 200 mol
O2 = 600 mol
CO2 = 200 mol
1 2
Reactivo limitante = ?
%Conversión del RL = ?
Solución:
Determinar el reactivo limitante:
Relación real: Relación estequiométrica:
2
4
2
4
33
,
0
600
200
molO
molCH
molO
molCH

2
4
2
4
5
,
0
2
1
molO
molCH
molO
molCH

El reactivo limitante (RL) es el CH4

100
lim
_
*
%
)
(
_ 4
entados
a
n
Conversión
CH
on
reaccionar
n 
100
*
lim
_
_
_
%
entados
a
moles
on
reaccionar
que
moles
Conversión 
Moles que reaccionaron de CH4:
on
reaccionar
CH
mol
mol
CH
on
reaccionar
n _
_
_
180
100
200
*
90
)
(
_ 4
4 

Balance por especies moleculares: (CH4, O2, CO2, H2O)
CH4:
nentran –nconsumidos + ngenerados = nsalen
200 mol – 180 mol + 0 = 20 mol CH4 salen
O2:
600 mol – 360 mol + 0 = 240 mol O2 salen
2
4
2
4 360
1
2
*
180 molO
molCH
molO
molCH 

CO2:
200 mol – 0 + 180 mol = 380 mol CO2 salen
2
4
2
4 180
1
1
*
180 molCO
molCH
molCO
molCH 
H2O:
0– 0 + 360 mol = 360 mol H2O salen
O
molH
molCH
O
molH
molCH 2
4
2
4 360
1
2
*
180 
Balance por especies atómicas: (C, H, O)
C:
nentran = nsalen
2
2
4
4
2
2
4
4
1
1
*
1
1
*
20
1
1
*
200
1
1
*
200
molCO
molC
XmolCO
molCH
molC
molCH
molCO
molC
molCO
molCH
molC
molCH 


2
20
200
200 XmolCO



generan
se
molCO
XmolCO _
_
380 2
2 
Del % de
conversión

H:
O
molH
molH
O
YmolH
molCH
molH
molCH
molCH
molH
molCH
2
2
4
4
4
4
1
2
*
1
4
*
20
1
4
*
200 

O
YmolH2
2
80
800 

.
_
_
_
_
360 2
2 generan
se
O
H
de
mol
O
YmolH 
O:


2
2
2
2
1
2
*
200
1
2
*
600
molO
molO
molO
molO
molO
molO
2
2
2
2
2
2
1
2
*
1
1
*
360
1
2
*
380
molO
molO
ZmolO
O
molH
molO
O
molH
molCO
molO
molCO 


2
2
360
760
400
1200 ZmolO




.
_
_
_
_
240 2
2 generan
se
O
de
mol
ZmolO 

Balance por grado de avance:
nsalen = nentran ±β Ԑ
CH4 + 2 O2 ------CO2 + 2H2O
(-) Reactivos (+)Productos
CH4:
20 mol = 200 mol - Ԑ
Ԑ = 200 -20
Ԑ = 180
O2:
O2 sale = 600 mol - 2Ԑ
O2 sale = 600 mol – 2(180)
O2 sale = 600 mol – 360 mol
O2 sale = 240 mol
CO2:
CO2 sale = 200 mol + 1Ԑ
CO2 sale = 200 mol –+1(180)
CO2 sale = 200 mol + 180 mol
CO2 sale = 380 mol
H2O: H2O sale = + 2Ԑ
H2O sale = 2 (180)
H2O sale = 360

Para Practicar:
a) Una reacción muy conocida para generar hidrógeno (H2) a partir de vapor de agua se
conoce con el nombre de reacción de desplazamiento del gas de agua:
CO + H2O----------CO2 + H2
Si la alimentación al reactor es 30 mol/h de CO, 12 mol de CO2 y 35 mol de H20,
calcular: (Realice un diagrama del proceso)
1. Reactivo limitante
2. Grado de consumación de la reacción.
3. Fracción de conversión del H2O a H2.
4. % del reactivo en exceso.
b) A partir de los datos del diagrama calcule:
1. Reactivo limitante
2. % Reactivo en exceso
3. % Conversión del RL
4. Considerando que reaccionan 10 lbmol del RL, calcule que cantidad de productos se
obtienen.
CO + Cl2 ------COCl2
17 lbmol CO
13 lbmol Cl2
Salida = ?

CombustiónEl término combustión usualmente se refiere a
una reacción química en la que interviene un
combustible y oxígeno o aire, generalmente va
acompañada de una flama.
Su importancia radica en la tremenda cantidad
de energía que se libera durante la ocurrencia de
esta reacción, la cual es empleada en muchos
procesos industriales, por ejemplo, para impulsar
las turbinas que generan la mayor parte de la
energía eléctrica del mundo.
Combustión
completa
Es aquella en la que todos los elementos oxidables
del combustible se oxidan completamente.
C3 H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O + ENERGIA
Combustión
incompleta
Es aquella donde en sus productos hay elementos
o sustancias combustibles como CO.
C3 H8 + 3O2 C+ 2CO + 4H2O + ENERGIA

Gas de combustión:
Son todos los gases que
resultan de un proceso de
combustión
Base seca:
Es la fracción de un gas
de combustión sin agua
Base húmeda:
Es la fracción molar de un
gas que contiene agua
Análisis ORSAT:
Es el análisis de los gases
de combustión
Oxígeno teórico:
Es la cantidad de oxígeno
requerido para quemar por
completo el combustible que
alimenta al reactor.
Aire teórico:
Se le denomina también aire
estequiométrico. Es la cantidad de aire que
contiene al oxígeno teórico. El aire está
constituido por 21% de O2 y 79% de N2.
Aire en exceso:
Es la cantidad por la cual el aire
que se alimenta al reactor
excede al aire teórico.
Combustión
100
*
_
_
_
lim
_
_
_
%
teórico
aire
n
teórico
aire
n
entado
a
aire
n
exceso
Aire




• Es necesario que se transforme una composición de base seca a base húmeda antes
de escribir los balances del reactor de combustión.
• Esta conversión es similar al procedimiento que se utiliza para convertir fracciones
másicas a molares.
Base húmeda a base seca:
Un gas de combustión tiene la siguiente composición molar: 60% N2, 15% CO2
y 10% O2. El balance es agua. Calcular la composición molar del gas en base seca.
Solución:
Base de cálculo: 100 mol de gas húmedo
60 mol N2
15 mol CO2
10 mol O2
15 mol H2O
Gas seco:
60 mol N2
15 mol CO2
10 mol O2
85 mol gas seco Nuevos moles totales
Nuevas fracciones molares del gas seco:
YN2 = 60 mol /85 mol = 0,705
YCO2 = 15 mol/ 85 mol = 0,176
YO2 = 10 mol /85 mol = 0,117

Base seca a base húmeda:
Un análisis ORSAT da la siguiente composición en base seca: 65% N2, 14% CO2,
11% CO y 10% O2. Calcule la composición en base húmeda si se sabe que la
fracción molar del agua en el gas es 0,0700
Solución:
Base de cálculo: 100 mol de gas seco
65 mol N2
14 mol CO2
11 mol CO
10 mol O2
100 mol gas húmedo:
Tomando la base asumida:
Si la fracción molar del agua en el gas húmedo es 0,0700 podemos
considerar que:
7 mol H2O
93 mol gas seco
Podemos establecer la siguiente relación:
o
gas
mol
O
molH
o
gas
mol
O
molH
sec
_
_
0753
,
0
sec
_
_
93
7 2
2

O
molH
o
gas
mol
O
molH
o
gas
mol 2
2
53
,
7
sec
_
_
0753
,
0
*
sec
_
_
100 
Gas húmedo= gas seco + agua
Gas húmedo = 100 mol + 7,53 mol
Gas húmedo= 107,53 mol
Nuevos moles totales
Nuevas fracciones:
YN2= 65 mol / 107,53 mol = 0,6
YCO2= 14 mol / 197,53 mol = 0,13
YCO= 11 mol / 107,53 mol = 0,1
YO2= 10 mol / 107,53 mol = 0,09
YH2O = 7,53 mol / 107,53 mol = 0,07

Ejemplo:
Se alimentan 100 mol/h de butano (C4H10) y 5000 mol/h de aire a un reactor de
combustión. Calcule el % de aire en exceso.
C4H10 + 13/2 O2------4 CO2 + 5 H2O
100 mol C4H10
5000 mol de Aire
CO2
H2O
Solución:
Cálculo del oxígeno teórico: (Oxígeno necesario para quemar 100 mol de C4H10)
2
10
4
2
10
4 650
1
2
/
13
*
100 molO
H
molC
molO
H
molC 
Si la composición del aire es 79% de N2 y 21 % O2, podemos establecer la siguiente relación:
2
2
2
2
/
76
,
3
21
79
molO
molN
molO
molN

Aire teórico = O2 teórico + N2 teórico
Aire teórico = 650 mol + 2445,23 mol
Aire teórico = 3095,23 mol
N2 teórico: 2
2
2
2 23
,
2445
76
,
3
*
650 molN
molO
molN
molO 

100
*
_
_
_
_
lim
_
_
_
%
teórico
aire
n
teórico
aire
n
entado
a
aire
n
exceso
Aire


100
*
23
,
3095
23
,
3095
5000
_
%
mol
mol
mol
exceso
Aire


%
53
,
61
_
_
% 
exceso
en
Aire
Para Practicar:
1)Un mol de etano puro se quema completamente con aire. El gas de salida del
quemador no contiene O2 y es enviado a un enfriador donde algo de H2O se condensa y
es removido. La otra salida del enfriador contiene el resto de los gases y el agua restante
y se sabe que el N2 tiene una fracción molar de 0,8335 en esta unidad. Determine: a) El
análisis molar de los gases a la salida del enfriador. b) Las Lb de agua condensada/mol de
C2H6 quemado. La reacción que ocurre es:
C2H6 + O2 -------CO2 + H2O
Asuma 1 mol de alimentación como base de cálculo. Use el método de balance por grado
de avance para el quemador.
QUEMADOR ENFRIADOR
1
C2H6
2
3
4
5
Aire
CO2
H2O
N2 H2O
CO2H2O
N2
YN2 =0,835

Para Practicar:
2)Se quema un gas natural de composición molar 90% CH4, 6% C2H6, 4% C3H8. Se
emplea un 45% de aire en exceso. La combustión es total. Determine la composición de
los gases de combustión y la cantidad de aire que se alimenta al reactor.
QUEMADOR
Aire
CO2
H2O
O2
N2
CH4
C2H6
C3H8
CH4 + O2----------CO2 + H2O
C2H6 + 02 ----------CO2 + H2O
C3H8 + O2 ----------CO2 + H2O
“Nunca consideres el estudio como una obligación,
sino como una oportunidad para penetrar en el bello
y maravilloso mundo del saber.”
Albert Einstein

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