15/03/2013 18:17 1 Profa. Isaura Garca Maldonado.

REACTOR

REACTIVOS

INERTES

REACTIVOS

INERTES

PRODUCTOS

1 2

REACTOR

REACTIVOS

INERTES

REACTIVOS

INERTES

PRODUCTOS

1 2

SALE = ENTRA - REACCIONA + PRODUCE

MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O

Reaccin qumica:

Los coeficientes estequiomtricos de los reactivos y de los productos representan el nmero de moles que reaccionan y que se producen en la reaccin; por lo que se tiene:

1 mol de MnO2 reaccionan con 4 moles de HCl para producir 1 mol de MnCl2 , 1 mol de Cl2 y 2 mol de H2O.

Esto indica que:

=1

=1

Si la reaccin anterior se lleva a cabo en un reactor, el

nmero de moles que entran al reactor, no necesariamente es igual al

nmero de moles que sale del reactor.

N1 = 5 mol N2 = 4 mol

Flujo molar de entrada Flujo molar de salida

MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O

REACTOR

1 mol de MnO2

4 mol de HCl

1 mol de MnCl2

1 mol de Cl2 1 2

2 mol de H2O.

Las masas estequiomtricas de los reactivos y productos se

obtienen multiplicando el peso molecular del reactivo o del producto

por su respectivo coeficiente estequiomtrico.

86.938

MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O

36.453 125.844 70.906 18 Pesos Moleculares

1(86.938) 4(36.453) 1(125.844) 1(70.906) 2(18) Masas

estequiomtricas

86.938 145.812 125.844 70.906 36

232.75 232.75

Si la reaccin anterior se lleva a cabo en un reactor, el flujo

msico a la entrada del reactor es igual al flujo msico que sale del

reactor.

M1 = 232.75 kg = M2 = 232.75 kg

Flujo msico de entrada = Flujo msico de salida

MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O

REACTOR

86.938 kg de MnO2

145.812 kg de HCl

125.844 kg de MnCl2

70.906 kg de Cl2 1 2

36 kg de H2O.

86.938 145.812 125.844 70.906 36

El balance de una reaccin qumica consiste en tener la

misma cantidad de tomos como reactivos y como productos.

C8H12S2 + O2 CO2 + H2O

tomos presentes en la reaccin:

Carbono: C

Hidrgeno: H

Azufre: S

Oxgeno: O

C8H12S2 + O2 CO2 + H2O + SO2

REACTIVOS:

8 tomos de C

12 tomos de H

2 tomos de S

2 tomos de O

PRODUCTOS:

1 tomo de C

2 tomos de H

1 tomo de S

5 tomos de O

La reaccin no est balanceada en ninguno de los tomos

que participan en la misma.

REACTIVOS:

8 tomos de C

12 tomos de H

2 tomos de S

26 tomos de O

PRODUCTOS:

8 tomos de C

12 tomos de H

2 tomos de S

26 tomos de O

Para balancear una reaccin se alteran slo los coeficientes estequiomtricos de reactivos y/o productos.

8CO2 + 6H2O + 2SO2 + 13O2

Por lo general, en los procesos qumicos, los reactivos no

se alimentan en proporcin estequiomtrica, ya que comnmente

alguno de ellos se alimenta en mayor cantidad a la cantidad necesaria,

con el fin de asegurar que se consuma el reactivo de inters o el ms costoso (reactivo limitante).

El reactivo limitante es el que se alimenta en menor proporcin a la requerida estequiomtricamente.

El reactivo en exceso es aquel que se encuentra presente en

mayor cantidad a la necesaria para que se consuma todo el reactivo limitante.

Para una reaccin donde participan los reactivos A y B, el reactivo limitante se puede determinar de la siguiente manera:

=

=

Si RmsicaA RmsicaB el Reactivo limitante es A

Si RmsicaA RmsicaB el Reactivo limitante es B

NOTA: Esto tambin aplica si se trabaja con flujos molares. En las relaciones molares se utilizaran las moles alimentadas y las estequiomtricas de los reactivos

El porciento del reactivo en exceso se calcula de la siguiente

manera:

% =

Donde la cantidad terica es la cantidad requerida para que

todo el reactivo limitante alimentado reaccione o se consuma.

% =

Si para la siguiente reaccin:

Se hacen reaccionar 175 Kg de O3 con 170 Kg de NO determine:

a) Cul es el reactivo limitante

O3 + NO O2 + NO2

b) Cul es el reactivo en exceso

c) % de Reactivo en exceso

Si a un horno se alimentan 12 moles de O2 y un mol de C7H16

efectundose la siguiente reaccin:

Determine:

a) Cul es el reactivo limitante?

C7H16 + 11 O2 7CO2 + 8H2O

b) Cul es el reactivo en exceso?

c) % de Reactivo en exceso

El grado de conversin cuantifica la fraccin o el porcentaje de

la cantidad alimentada de algn reactivo, que reacciona para

transformarse en productos.

Se puede expresar un grado de conversin para cada uno de

los reactivos que intervienen en una reaccin y como ste est referido a

la cantidad alimentada de cada reactivo, el valor del grado de conversin

no es el mismo para todos los reactivos participantes.

Es importante enfatizar que para

realizar los balances de materia con reaccin

qumica, el grado de conversin debe estar

referido al reactivo limitante.

=

Para el reactivo i:

=

Para el reactivo limitante:

El fluoruro de hidrgeno se prepara mediante la reaccin:

+ +

Si en la reaccin se tratan 10 Kg de CaF2 con 15 Kg de H2SO4 el

cual se encuentra en exceso y se producen 4.767 kg de HF, calcule las

conversiones de CaF2 y del H2SO4 .

PM CaF2 = 78 kg/kmol

PM H2SO4 = 98 kg/kmol

PM CaSO4 = 136 kg/kmol

PM HF = 20 kg/kmol

+ +

REACTOR 1 2 10 Kg de CaF2

15 Kg de H2SO4

4.767 kg de HF

CaSO4

CaF2 = ?

H2SO4 = ?

CaF2 = ?

H2SO4 = ?

Incgnitas:

Se pueden preparar pequeas cantidades de O2 mediante la

descomposicin de KClO3 por calentamiento, a travs de la siguiente

reaccin:

+

Si en una prueba de laboratorio se calientan 5 g de KClO3 y en el

anlisis de los productos se encuentran 1.8 g de O2, calcule el grado de

conversin.

PM KClO3 = 122.5 g/mol

PM O2 = 32 g/mol

PM KCl = 74.5 g/mol

REACTOR 1 2

+

5 g KClO3

KCl

1.8 g O2

KClO3= ?

Incgnita:

La reaccin entre el etileno y el bromuro de hidrgeno se

efecta en un reactor continuo. El flujo de productos se analiza y se

encuentra que contiene 50% mol de C2H5Br, 33% mol de HBr. La

alimentacin al reactor contiene slo etileno y bromuro de hidrgeno.

Calcular:

a) El grado de conversin del reactivo limitante.

b) El porcentaje de exceso del reactivo en exceso.

REACTOR 1 2

+

?

?

a) RL = ?

INCGNITAS:

b) %ERE = ?

En el proceso Deacon para la fabricacin de cloro, reaccionan

HCl y O2 para formar Cl2 y H2O. El reactor se alimenta con suficiente aire

para proporcionar 25% de oxgeno en exceso. Si la conversin del HCl

es de 70%, calcular las fracciones molares de los componentes del flujo

a la salida.

Respuestas:

HCl = 0.13, Cl2 = 0.15, H2O = 0.15, O2= 0.06, N2 = 0.51

REACTOR 1 3

+ +

Composicin molar flujo 3

INCGNITA:

RL = 70%

%ERE = 25%

2

21% n O2

79% n N2

HCl

Aire

O2

Cl2

HCl

H2O

El sulfato de aluminio (utilizado en el tratamiento de agua y en

muchos procesos qumicos) se puede preparar haciendo reaccionar

bauxita triturada con cido sulfrico al 77 % en peso. El mineral de

bauxita contiene 55.4% en peso de xido de aluminio, siendo el resto

impurezas. Para producir 2000 lb de sulfato de aluminio se emplean 1080

lb de bauxita y 2510 lb de solucin.

a) Determinar el reactivo en exceso.

b) Calcular el % en exceso.

c) Calcular el grado de conversin de la reaccin

Reaccin:

+ +

REACTOR 1 3

2

55.4%w Al2O3

44.6% w Imp.

+ +

77% w H2SO4 33% w H2O

Al2(SO4)3

H2O

Al2O3

Imp.

H2SO4

mAl2(SO4)3, 3 = 2000 lb

M1 = 1080 lb

M2 = 2510 lb

a) Reactivo en exceso

INCGNITAS:

b) %ERE

c) RL

Bajo ciertas condiciones el N2 e H2 reaccionan de acuerdo a la

siguiente reaccin:

a) Reactivo limitante y reactivo en exceso.

b) % en exceso.

c) lbmol de N2, H2 y NH3 en el equilibrio.

+

Suponiendo que 280 lb de N2 y 64.5 lb de H2 reaccionan a 515

C y 3 atmosferas de presin y que despus de obtener el equilibrio

existen 38 lb de gas, determinar:

d) Grado de conversin de la reaccin.

+

REACTOR 1 2 mN2,1 = 280 lb

N2

H2

NH3

T = 515 C

mH2,1 = 64.5 lb

P = 3 atm. N2 = 38 lbmol

a) RL y RE

b) %ERE.

c) nN2, 2, nH2, 2 y nNH3, 2

d) RL.

INCGNITAS:

En la mayora de los procesos qumicos los reactivos

interactan entre s de muy diversas formas, promoviendo la presencia

de ms de una reaccin qumica (reacciones mltiples) para su

transformacin.

La reacciones mltiples se clasifican en dos tipos:

1. Reacciones sucesivas o reacciones en serie.

2. Reacciones simultneas o reacciones en paralelo.

En este tipo de reacciones un determinado producto

generado en una reaccin, acta como reactivo para consumirse en

otra.

Ejemplos:

+ +

+

El producto C

obtenido en la primera

reaccin, acta como

reactivo en la segunda

reaccin.

+

+ +

Este tipo de reacciones se presentan cuando adems de

generarse el producto de inters mediante alguna reaccin, puede

generarse algn otro producto en otra reaccin con los mismos

reactivos.

Ejemplos:

+

+ +

+

+ +

Tanto en las reacciones sucesivas (en serie) como

en las simultneas (en paralelo), se obtiene algn

producto de inters mediante una reaccin que se conoce

como reaccin principal y tambin se obtiene un producto

indeseable mediante una reaccin que se conoce como

reaccin secundaria.

Cuando se realizan balances de materia con reacciones

qumicas mltiples, debe de tenerse en cuenta lo siguiente:

Cada reaccin qumica tendr su propio reactivo limitante.

Cada reaccin qumica tendr su propio grado de conversin.

Como en las reacciones mltiples se obtienen productos deseados e indeseados surge un nuevo concepto conocido como

selectividad (no siempre se utiliza en los balances), el cual se

expresa como:

=

Si el reactivo en exceso participa en varias reacciones, el clculo de la cantidad terica total ser la suma de las cantidades

tericas en cada reaccin.

Es posible obtener acetaldehdo (CH3CHO) por la

deshidrogenacin cataltica de etanol (C2H5OH) mediante la reaccin:

Sin embargo tambin ocurre una reaccin paralela que produce

acetato de etilo (CH3COOC2H5) :

+

2 +

Supngase que las condiciones de operacin del reactor se

ajustan de modo que reacciona el 95% del etanol alimentado y que la

relacin molar de CH3CHO producido con respecto al C2H5OH

alimentado es de 0.8, Calcule la composicin del producto del reactor,

suponiendo que la alimentacin es etanol puro.

REACTOR 1 2 C2H5OH

+

2 +

C2H5OH = 95%. CH3CHO

CH3COOC2H5

H2

C2H5OH

Composicin = ?

,,

= .

El etanol se produce comercialmente por medio de la

hidratacin de etileno:

Una parte del producto se convierte en dietil ter en la reaccin

secundaria :

+

() +

La alimentacin a un reactor contiene etileno y vapor de agua

en una relacin molar 3:2 y 10 % en mol de sustancias inertes. La

conversin del etileno es de 5% y la selectividad de la produccin de

ter es de 18.0 mol/mol. Calcule la composicin molar del flujo de

salida del reactor.

REACTOR 1 3

C2H4

C2H4 = 5%. C2H5OH

(C2H5)2O

H2 O

C2H4

=, ,

=

+

() +

H2O

In 10% n

C2H4 ,1

H2O,1 =

3

2

El bixido de carbono se puede obtener tratando una piedra caliza

con H2SO4 diluido (12%w de cido). La caliza usada en el proceso contiene

CaCO3 y MgCO3, adems de material insoluble. El residuo del proceso tiene la

siguiente composicin: 8.56%w de CaSO4, 5.23%w de MgSO4, 1.05%w de

H2SO4, 0.53%w de inertes, 0.125%w de CO2 y 84.51%w de H2O.

Durante el proceso se calienta la masa reaccionante desprendindose

parte del CO2 y del H2O. Suponiendo una conversin del 100%, calcular:

+ + +

a) El anlisis de la caliza.

b) El porcentaje en exceso del reactivo usado.

c) La masa y el anlisis de los gases que se desprendieron de la masa

reaccionante por cada 1000 kg de caliza usada.

Las reacciones que se llevan a cabo son:

+ + +

REACTOR 1 3

2

CaCO3

Inertes

12% w H2SO4

88% w H2O

8.56 %w CaSO4

0.53 %w Inertes

1.05 %w H2SO4

a) Composicin flujo 1

INCGNITAS:

b) %EH2SO4

c) RL

Solucin de

H2SO4

MgCO3

+ + +

+ + +

5.23 %w MgSO4

0.125 %w CO2

84.51 %w H2O

CO2

H2O 4