CONTROL DE PROCESOS DEREACCIÓN BIBLIOGRAFIA -Principios básicos de los procesos químicos (Felder & Rousseau) -Principios básicos y cálculos en Ing. Química (Himmelblau) -Manual del Ingeniero Químico (Perry & Chilton) -Ingeniería de las reacciones Químicas (Levenspiel) - Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS Intermitentes o de lotes (batch): Se carga la alimentación a un sistema (reactor, tanque) al inicio del proceso, eliminándose los productos de una sola vez algún tiempo después. Ejemplo: Agregar reactivos a un tanque y eliminar los productos y reactivos no consumidos algún tiempo después cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS Proceso Continuo : Las entradas y salidas fluyen continuamente durante todo el tiempo que permanezca el proceso en funcionamiento. Ejemplo: Bombear una mezcla de líquidos a una torre de destilación y eliminar uniformemente corrientes de líquido y vapor desde los extremos inferior y superior de la torre. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas Ejemplo: Permitir que el contenido de un recipiente que contiene gas a alta presión salga a la atmósfera. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas .CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS Proceso Semi-intermitente: Las entradas son casi instantáneas mientras que las salidas son continuas. Mezclar lentamente varios líquidos dentro de un tanque del cual nada se está extrayendo. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas .CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS Proceso Semi-intermitente : Las entradas son casi instantáneas mientras que las salidas son continuas. Ejemplo: Permitir que el contenido de un recipiente que contiene gas a alta presión salga a la atmósfera. Mezclar lentamente varios líquidos dentro de un tanque del cual nada se está extrayendo. niveles. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . presiones. volúmenes. a excepción de posibles pequeñas fluctuaciones alrededor de valores medio constantes.CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS REGIMEN PERMANENTE : Los valores de todas las variables de proceso (temperatura. flujos) no sufren modificaciones a lo largo del tiempo. niveles. volúmenes. Por su naturaleza. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . los procesos intermitentes o semi-intermitentes son operaciones en régimen transientes mientras que los procesos continuos pueden ser ya sea de régimen transitorio o permanente.CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS REGIMEN TRANSIENTE O TRANSITORIA: Alguna de las variables de proceso (temperatura. presiones. flujos) cambia su valor con el tiempo. Se llena un globo con aire a un flujo másico de 2 gramos / minuto. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . 2. Se saca una bolsa de leche de la nevera y se deja sobre la mesa de cocina 3.CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS EJEMPLOS: 1. Hervir el agua en una olla abierta en la cocina. Se alimenta CO y Vapor de agua a un reactor tubular a un flujo estable. Los productos y reactivos no consumidos se eliminan por otro extremo. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . clasificar el proceso a) Inicialmente. El reactor contiene aire cuando inicia el proceso. La temperatura del reactor es constante y la composición y flujo de la corriente de entrada de reactivos también resulta independiente del tiempo.CLASIFICACION DE PROCESOS QUIMICOS EJEMPLOS: 4. los cuales reaccionan para formar CO2 y H2(g). b) Luego de haber transcurrido un largo periodo de tiempo. BALANCES ECUACION GENERAL DE BALANCE: Entrada+Generación–Salida–Consumo = Acumulación. Través de dentro del través de dentro del dentro Los límites sistema los límites sistema del Del sistema) sist. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . (entra a Producido Sale a Consumido Acum. BALANCES ECUACION GENERAL DE BALANCE: La masa ni se crea ni se destruye. sólo se transforma (no aplica a reacciones nucleares) Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Use las unidades correspondientes.BALANCES ECUACION GENERAL DE BALANCE: Cada año llegan 50000 personas a una ciudad mientras que la abandonan 60000. R/ta: 50000+22000-60000-19000= -7000 Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Formule un balance de la población de dicha ciudad. Nacen 22000 y mueren 19000. Cada término de la ecuación resulta en una velocidad. Aplica a procesos continuos.BALANCES TIPOS DE BALANCE: A) Balances diferenciales: Indican qué sucede en un sistema en un instante dado. B) Balances integrales: Se describe qué ocurre entre 2 instantes. Cada término de la ecuación resulta en una cantidad de la substancia medida. Los términos de generación y consumo de una ecuación de balance resultan nulos si la cantidad sobre la cual se efectúa el balance no es un reactivo ni un producto en Reacción. Aplica a procesos intermitentes. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . El termino acumulación debe ser nulo.BALANCES Balances sobre procesos continuos en régimen permanente. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . por qué? La ecuación se simplifica a: Entrada + Generación = Salida + Consumo. Ejemplo: Se separan por destilación en dos fracciones. El flujo másico de benceno en la corriente superior es de 450 kg/h y de 475 Kg/h de tolueno en la corriente inferior. La operación es en régimen permanente. 1000 Kg/h de una mezcla de benceno/tolueno que contiene 50% de benceno en masa.BALANCES Balances sobre procesos continuos en régimen permanente. Formule balance para el benceno y el tolueno con el fin de calcular los flujos desconocidos Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Rta: Hay acumulación? Acumulación = 0 Hay reacción química? Generación = 0 Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas .BALANCES Balances sobre procesos continuos en régimen permanente. La primera mezcla contiene 40% en peso de metanol. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . TAREA: Se tiene dos mezclas de metanol-agua en recipientes separados. mientras que la segunda contiene 70% en peso de metanol. cual será la masa final de producto? Cual será la cantidad de metanol en la masa final del producto? Trate de deducir una comprobación del resultado. Si se combinan 200 gr de la primera mezcla con 150 gr de la segunda mezcla.BALANCES Balances integrales de proceso intermitente de mezclado. y rectas con flechas para representar entradas y salidas. etc). utilizando rectángulos u otros símbolos para la representación de las unidades de proceso (reactores. La mejor forma de hacer esto es mediante la realización de un diagrama de flujo del proceso. mezcladores.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA DIAGRAMAS DE FLUJO: Cuando uno recibe una descripción del proceso y debe determinar alguna variable del proceso. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . torres. es esencial la organización de la información obtenida de una forma conveniente para los cálculos subsiguientes. etc) y escribir los nombres de estas variables y sus unidades asociadas sobre el diagrama. x lb m de N2/lbm. Escribir los valores y unidades de todas las variables de las corrientes en los sitios que corresponden a las corrientes del diagrama. Asignar símbolos algebraicos a las variables desconocidas de las corrientes (Tales como Q kg de solución/min. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . 2.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA SUGERENCIAS PARA ROTULAR UN DIAGRAMA DE FLUJO: 1. 2. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Formular primero aquellos balances que involucran el menor número de incógnitas.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA BALANCE DE UN PROCESO. 1. El número máximo de ecuaciones linealmente independientes que pueden formularse a través de balances en un sistema sin reacción química equivale al número de especies químicas en las corrientes de entrada y salida. convertir todas las cantidades a una base u otra (Usando el peso molecular de la sustancia) Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Si el problema mezcla unidades másicas y molares en una corriente. 5. empleando densidades tabuladas o leyes de los gases. 2. Convertir volúmenes o flujos volumétricos conocidos a cantidades másicas o molares. Representar el problema en un diagrama de flujo y rotularlo con todos los valores de las variables conocidas. Elegir como base de cálculo una cantidad o flujo de una de las corrientes de proceso. 3. Rotular las variables desconocidas en el diagrama 4. 1.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA DELINEACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE BALANCES DE MASA. Formular los balances siguiendo un orden tal que aquellos que involucran el menor número de incógnitas aparezcan en primer término. Si en el texto del problema se da alguna información que no se haya empleado en la rotulación del diagrama de flujo. traducirla a ecuaciones en las variables definidas en el punto 3. Resolver las ecuaciones formuladas en las etapas 6 y 7 a fin de determinar las incógnitas. Cuando se ha calculado el valor de una incógnita colocar el mismo inmediatamente en el diagrama de flujo Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas .FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA DELINEACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE BALANCES DE MASA (Cont). 8. 7. Formular ecuaciones de balance de masa. 6. 9. corregir la escala del proceso balanceado mediante el cociente Qg/Qc a fin de obtener el resultado final. Si en el enunciado del problema se daba el valor de una cantidad de corriente o flujo Qg. y se empleó otro valor Qc como base o se calculó para esta corriente.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA DELINEACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE BALANCES DE MASA (Cont). Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . 1. Se alimentan 100 lb por minuto de una mezcla que contiene 60% de aceite y 40% de agua en masa a un sedimentador que opera a régimen permanente. Del sedimentador salen dos corrientes de producto: La superior contiene aceite puro. Formular balances diferenciales para el agua y para la masa total a fin de calcular los flujos de las dos corrientes de producto.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA EJERCICIOS. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . mientras que la inferior contiene 90% de agua en masa. Formular y resolver balances diferenciales sobre la masa total y sobre el SLS a fin de determinar los flujos de vapor y de líquido en la salida. Suponer que el proceso ocurre en forma continua y en régimen permanente. formular y resolver balances integrales sobre la masa total y el SLS para determinar las cantidades de vapor y líquido. el resto del líquido contiene 37.Una mezcla líquida de SLS y agua contiene 50% de SLS en peso.5% de SLS en peso. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Se vaporiza una porción de la mezcla obteniéndose un vapor que contiene SLS en un 60%.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA EJERCICIOS. 2. Si el proceso se lleva a cabo en un recipiente cerrado. el cual contiene inicialmente 100 Kg de la mezcla de líquidos. con un flujo de alimentación de 100 kg/h. el primero de los cuales contiene 5% de etanol en agua. calentándose la mezcla para evaporar agua hasta que el residuo contenga una tercera parte de agua.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA EJERCICIOS. Cuanto habría de utilizarse de cada una de las dos soluciones? 4. mientras que el segundo contiene 25% de etanol en agua. Se cuenta con dos tanques de almacenamiento. Cuantas libras de fresas se requieren para fabricar una libra de mermelada? Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Las fresas contienen alrededor de 15% de sólidos y 85% de agua. 3. se mezclan fresas trituradas y azúcar en una proporción de 45:55. Se requieren 1250 Kg de una solución que contiene 12% en peso de etanol en agua. Para fabricar mermeladas de fresa. El aire entrante contiene 1% mol de agua (v). Fluyen agua liquida y aire a un humidificador. se vende a US$6. 5. Una mezcla de pinturas contiene 25% de un pigmento y el resto de agua. mientras que el aire humidificado contiene 10% mol de agua. Si un mayorista de pinturas produce una mezcla que contiene 15% de pigmento.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA EJERCICIOS.0/Kg mientras que una mezcla que contiene 10% de pigmento se vende a US$3. cual debería ser el valor de la misma (US$/Kg a fin de obtener una utilidad del 10%? 6. en el cual el agua se evapora por completo.5/Kg.8% de O2 y el resto de N2. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Calcular el flujo volumétrico (pies3/min) de líquido requerido a fin de humidificar 200 lb-mol/min de aire entrante. 20. o un punto en el cual se encuentran dos o más corrientes Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . una única unidad. una combinación interconectada de algunas unidades de proceso.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 4. Qué es un sistema:? Es cualquier porción de un proceso que uno decide considerar: Puede tratarse de un proceso entero. BALANCES EN PROCESOS DE UNIDADES MULTIPLES. es posible simplificar los cálculos trazando límites que intersectan corrientes que contengan el menor número de variables desconocidas Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Se definen trazando un rectángulo alrededor de la porción del proceso en el diagrama de flujo. BALANCES EN PROCESOS DE UNIDADES MULTIPLES. y considerando como entradas y salidas a todas aquellas corrientes que crucen el límite imaginario.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 4. Cuando se eligen los subsistemas sobre los cuales se habrán de formular los balances. s Reactor Separador Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas .FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 5. RECIRCULACIÓN Y DERIVACIÓN. 4500 Kg/h de una solución que contiene 1/3 de K2CrO4 w/w. contiene 36. Calcular el peso del agua eliminada en el evaporador. La solución (sin cristales) resultante del filtrado. la velocidad de producción de cristales de K2CrO4 y la proporción y los flujos que deben manejar el evaporador y cristalizador. La corriente concentrada que abandona el evaporador contiene 49. RECIRCULACIÓN Y DERIVACIÓN.36% de K2CrO4 w/w y parte de ella sale del proceso y parte de ella es la corriente de recirculación.4% de K2CrO4. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . se une a una corriente de recirculación que contiene 36.36% de K2CrO4 w/w.La torta obtenida consiste en cristales de K2CrO4 y estos forman el 95% de la masa total de la torta de filtrado. y la corriente combinada se alimenta a un evaporador.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 5. se alimenta esta corriente a un cristalizador donde se enfría (precipitando cristales de K2CrO4) y luego se filtra. RECIRCULACIÓN Y DERIVACIÓN.05 (Pc + Ps) B) Balance global para K (Cromato) C) Balance másico total D) Balance másico sobre el cristalizador E) Balance de agua sobre el cristalizador Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . SOLUCIÓN: A) Ps = 0.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 5. Importante saber cual o cuales son los reactivos limitantes y los reactivos en exceso. BALANCES SOBRE SISTEMAS CON REACCIÓN QUIMICA En balances de masa con reacción química se debe tener en cuenta lo siguiente: La Entrada no es igual a la salida.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 6. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Incluye generación o consumo Se debe tener en cuenta la estequiometría de la reacción antes de proceder con la formulación del balance. Una ecuación estequiométrica debe estar balanceada para que sea válida.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 6. Ejemplo: 2 SO2 + O2 ------ 2SO3 Los números que preceden a las formulas para cada especie son los coeficientes estequiométricos de los componentes de la reacción. La ecuación estequiométrica de una reacción química consiste en una afirmación acerca de la cantidad relativa de moléculas o moles de reactivos y productos que participan en la reacción.1 ESTEQUIOMETRÍA Es la teoría de las proporciones en las que se combian entre sí las especies químicas. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . entonces ninguno es limitante (o lo son todos. depende del punto de vista en que se mire) Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . Un reactivo es limitante si se encuentra presente en una proporción menor que la estequiometría respecto de los otros reactivos.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 6. CONVERSIÓN FRACCIONARIA Reactivo Limitante: Es aquel que desaparece primero de la reacción si esta se completara. Reactivo en exceso: Son los demás. Si todos los reactivos se encuentran presentes en proporción estequiométrica .2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO. Cual es el reactivo limitante y en exceso? Cual es el % de exceso? Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas .2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO. CONVERSIÓN FRACCIONARIA Ejemplo: 20 moles de Bromo por hora se unen a 25 moles de hidrógeno por hora para producir Acido bromhídrico.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 6. Por lo anterior.2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO. y muy a menudo ocurren en forma lenta.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 6. no todo los reactivos se convierten a producto. por lo que estos (los productos) normalmente salen con algo de reactivo y es por ello que se debe separar el reactivo y recircular al proceso. Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas . CONVERSIÓN FRACCIONARIA Las reacciones químicas no se llevan a cabo en forma instantánea. a) Cual es el reactivo limitante? En qué % se encuentran los otros en exceso? b) Calcular los Kgmol de C3H3N producidos por Kgmol de NH3. C3H6 + NH3 + O2--- C3H3N + H2O Ecuación sin Balancear 2C3H6 + 2NH3 + 3O2--- 2C3H3N + 6H2O Ecuación Balanceada La alimentación contiene 10% molar de propileno. 12% molar de amoníaco y 78% molar de aire. CONVERSIÓN FRACCIONARIA Ejemplo: Se produce AcriloNitrilo por reacción del Propileno. amoníaco y oxígeno. alimentados para una conversión del 30% del reactivo limitante? Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas .2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO.FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 6. FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MASA 6. CONVERSIÓN FRACCIONARIA Tarea: 100 Kgmol de Etileno (C2H6) se oxida para producir Oxido de etileno. ¿Cuál es la fracción de conversión del C2H4? ¿ Y la fracción de conversión del O2? Control de procesos de Reacción de acuerdo a las variables implicadas .2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO. ¿Cuánto de cada reactivo y producto se encuentra presente al final? Si la reacción procede hasta un punto en donde quedan 60 Kgmol de O2. Cual es el reactivo límite Cual es el % de exceso del reactivo en exceso? Si la reacción se completa cuanto de reactivo en exceso son habrá reaccionado y cuanto C2H4O se habrá formado? Si la reacción se lleva a cabo hasta un punto en que la conversión fraccionaria del reactivo limitante es de 50%.