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Introduccin a losprocesos qumicos

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MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRIDNUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILN

MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO

Introduccin a losprocesos qumicosPrincipios, anlisis y sntesis

Regina M. MurphyUniversity of Wisconsin, Madison

Revisin tcnica:

Jos Clemente RezaProfesor titular de Qumica General

ESIQIE - Instituto Politcnico Nacional

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Director Higher Education: Miguel ngel Toledo CastellanosDirector editorial: Ricardo A. del Bosque AlaynEditor sponsor: Pablo E. Roig VzquezEditora de desarrollo: Lorena Campa RojasSupervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

Traduccin: Esther Fernndez AlvaradoNorma Anglica Moreno Chvez

INTRODUCCIN A LOS PROCESOS QUMICOSPRINCIPIOS, ANLISIS Y SNTESIS

Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS 2007 respecto a la primera edicin en espaol porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Edificio Punta Santa FeProlongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre APiso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,Delegacin lvaro ObregnC.P. 01376, Mxico, D. F.Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736

Imagen de portada: Seccin de un modelo molecular Roz Woodward/Getty Images

ISBN-13: 978-970-10-6199-2ISBN-10: 970-10-6199-3

Traducido de la primera edicin en ingls de la obra INTRODUCTION TO CHEMICAL PROCESSES.Principles, Analysis, Synthesis, by Regina M. Murphy. Copyright 2007 by The McGraw-Hill Companies, Inc.All rights reserved.

ISBN 10: 0-07-284960-6ISBN 13: 978-0-07-284960-8

1234567890 09865432107

Impreso en Mxico Printed in Mexico

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La fundamentacinde una disciplina:Serie sobre Ingeniera QumicaThe McGraw-Hill Companies, Inc.

Hace unos ochenta aos, quince prominentes ingenieros qumicos se encontraron enNueva York a fin de planear una produccin literaria permanente dirigida a su profe-sin en rpido crecimiento. Del rea industrial participaron profesionistas qumicospioneros en sus campos, como Leo H. Baekeland, Arthur D. Little, Charles L. Reese,John V. N. Dorr, M. C. Whitaker y R. S. McBride. Del mbito acadmico contribuye-ron profesores eminentes como William H. Walker, Alfred H. White, D. D. Jackson, J.H. James, Warren K. Lewis y Harry A. Curtis. H. C. Parmlee, entonces editor de Che-mical and Metallurgical Engineering, fungi como presidente y posteriormente se leuni S. D. Kirkpatrick como editor consultor.

Despus de varias reuniones, en septiembre de 1925, este comit someti su in-forme a McGraw-Hill Book Company. En el informe se detallaron las especificacio-nes para una serie correlacionada de ms de un docena de libros de texto y dereferencia, la cual se convirti en la Serie de Ingeniera Qumica de McGraw-Hill, quea su vez se transform en la piedra angular de los planes de estudio para IngenieraQumica.

A partir de entonces, se ha desarrollado una serie de textos que han superado el al-cance y longevidad previstos por el consejo editorial fundador. La serie de McGraw-Hill sobre Ingeniera Qumica representa el nico registro histrico del desarrollo dela educacin y prctica de la Ingeniera Qumica. En la serie se encuentran varios hi-tos en la evolucin de la materia: la qumica industrial, la estequiometra, operacionesy procesos unitarios, termodinmica, cintica y operaciones de transferencia.

Libros de texto como Operaciones unitarias en ingeniera qumica, de McCabeet al., Diseo de plantas y economa para ingenieros qumicos, de Peters et al., Introduc-cin a la termodinmica en ingeniera qumica, de Smith et al., entre otros, han ensea-do a generaciones de estudiantes los principios que son clave para el xito en laIngeniera Qumica. Juan de Pablo, Jay Schieber y Regina Murphy, quienes forman par-te del siguiente grupo de autores clsicos de McGraw-Hill, conducirn a los estudiantesde todo el mundo hacia los ltimos desarrollos aparecidos en la Ingeniera Qumica.

La Ingeniera Qumica es una profesin dinmica y su literatura contina crecien-do. McGraw-Hill, con sus editores internos y editores consultores Eduardo Glandt[Decano de University of Pennsylvania], Michael Klein [Decano de Rutgers Univer-sity], y Thomas Edgar [Profesor de University of Texas en Austin] continan compro-metidos con una poltica de publicacin que atender las necesidades de la profesinde Ingeniera Qumica al nivel mundial durante los aos venideros.

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Dedicatoria

A mi maravillosa familia

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ContenidoPrefacio xvi

Lista de nomenclatura xxvi

Lista de ecuaciones importantes xxix

CAPTULO 1 Transformacin de los recursos terrestresen productos tiles 1

1.1 Introduccin 2

1.2 Materias primas 3

1.3 Ecuaciones balanceadas de las reacciones qumicas 6Ejemplo 1.1 Ecuacin balanceada de la reaccin qumica:

sntesis del cido ntricoEjemplo 1.2 Ecuaciones balanceadas de reaccin qumica:

sntesis del cido adpico

1.4 Anlisis de generacin-consumo 11Ejemplo 1.3 Anlisis de generacin-consumo:

el proceso de LeBlanc Ejemplo 1.4 Anlisis de generacin-consumo:

el proceso de Solvay Ejemplo 1.5 Anlisis de generacin-consumo:

sntesis del amoniaco

1.5 Una primera mirada a los balances de materiay la economa de procesos 181.5.1 Masa, moles y masa molar 191.5.2 Economa del tomo 20

Ejemplo 1.6 Economa del tomo: LeBlanc contra SolvayEjemplo 1.7 Economa del tomo: sntesis mejorada del 4-ADPA

1.5.3 Economa del proceso 24Ejemplo 1.8 Economa del proceso: el proceso Solvay

1.5.4 Capacidades del proceso y valores del producto 26Estudio de caso: Qumica de seis carbonos 27Resumen 37Historia de la qumica: transformacin de la sal en jabn 39Respuestas a los exmenes rpidos 40Referencias y lecturas recomendadas 41Problemas del captulo 41

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CAPTULO 2 Flujos de proceso: variables,diagramas, balances 57

2.1 Introduccin 58

2.2 Variables del proceso 592.2.1 Una revisin breve de las dimensiones y unidades 592.2.2 Masa, moles y composicin 612.2.3 Temperatura y presin 632.2.4 Volumen, densidad y concentracin 642.2.5 Velocidades de flujo 66

2.3 Diagramas de flujo de los procesos qumicos 672.3.1 Diagramas de flujo de entradas-salidas 682.3.2 Diagramas de flujo de bloques 692.3.3 Diagramas de flujo de proceso (PFD) 712.3.4 Modos de operacin del proceso 74

2.4 Clculos de flujo de proceso 752.4.1 Definiciones 762.4.2 Ecuaciones de balance de materia 782.4.3. Un procedimiento sistemtico para clculos de

flujo de proceso 812.4.4. Consejos tiles para efectuar los clculos de flujo de proceso 822.4.5. Una pltora de problemas 84

Ejemplo 2.1 Mezcladores: produccin de cido para bateras Ejemplo 2.2 Reactores: sntesis del amoniaco Ejemplo 2.3 Separadores: concentracin del jugo de fruta Ejemplo 2.4 Divisor: procesado de jugo de frutaEjemplo 2.5 Elementos como componentes: anlisis del ibuprofeno Ejemplo 2.6 Separacin con acumulacin: secado de aire Ejemplo 2.7 Reaccin con acumulacin: luz a partir de un circuito

integrado

2.5 Anlisis del grado de libertad 104Ejemplo 2.8 Anlisis DOF: sntesis del amoniacoEjemplo 2.9 Anlisis DOF: luz a partir de un circuito integradoEjemplo 2.10 Anlisis DOF: produccin de cido para baterasEjemplo 2.11 Anlisis DOF: coma sus verduras!

2.6 Clculos de flujo de proceso con unidadesmltiples de proceso 112

Ejemplo 2.12 Unidades mltiples de proceso: acumulacin de toxinasEjemplo 2.13 Unidades mltiples de proceso: produccin del

cido adpico a partir de glucosa 2.6.1 Sntesis de diagramas de flujo de bloques 121

Ejemplo 2.14 Sntesis de diagramas de flujo de bloques: el proceso del cido adpico

Contenido ix

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2.6.2 El arte de la aproximacin 1242.6.3 Anlisis del grado de libertad para los diagramas de

flujo de bloques con unidades mltiples de proceso 125Ejemplo 2.15 Anlisis DOF: produccin de cido adpico

Estudio de caso: Evolucin de un proceso ms verde 127Resumen 136Historia de la qumica: el guano y las armas de agosto 137Respuestas a los exmenes rpidos 141Referencias y lecturas recomendadas 141Problemas del captulo 2 142

CAPTULO 3 Anlisis matemtico de las ecuacionesde balance de materia y de losdiagramas de flujo de procesos 169

3.1 Introduccin 170

3.2 La ecuacin de balance de materia: de nuevo 1703.2.1 Conservacin de la masa y la ecuacin de

balance de materia 171Ejemplo 3.1 Reacciones de descomposicin

3.2.2 Formas generales de la ecuacin diferencial de balance de materia 176Ejemplo 3.2 Balances de masa: disolucin del azcar Ejemplo 3.3 Ecuacin de balance de masa: consumo de glucosa

en un fermentador Ejemplo 3.4 Balances molares: fabricacin de urea Ejemplo 3.5 Balances molares: fabricacin de urea a partir de reactivos

ms econmicos 3.2.3 Anlisis de grado de libertad 182

Ejemplo 3.6 Anlisis DOF: sntesis de la urea a partir de reactivosms econmicos

Ejemplo 3.7 Ecuacin diferencial de balance de materia con reaccionesqumicas mltiples en rgimen permanente:benceno a catecol

3.2.4 Formas generales de las ecuaciones integrales de balance de materia 186Ejemplo 3.8 Ecuacin integral: mezcla y embarque Ejemplo 3.9 Ecuacin integral con flujo no permanente:

jalea con cerezas 3.2.5 Algunos problemas ms 193

Ejemplo 3.10 Ecuacin integral con flujo no permanente y reaccinqumica: liberacin controlada de frmacos

x Contenido

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Ejemplo 3.11 Ecuacin diferencial con flujo no permanentey reaccin qumica: uso de glucosa en unfermentador

3.3 Ecuaciones lineales y reacciones qumicas(seccin optativa) 2003.3.1 Ecuaciones lineales, independencia lineal, existencia

de solucin y solucin nica 2013.3.2 Uso de matrices para balancear reacciones qumicas 204

Ejemplo 3.12 Balance de ecuaciones qumicas con matemticamatricial: cido adpico

3.3.3 Uso de matrices en el anlisis de generacin-consumo 207Ejemplo 3.13 Anlisis de generacin-consumo mediante

la matemtica matricial: sntesis del cido ntrico 3.3.4 Uso de matrices para encontrar ecuaciones qumicas

linealmente independientes 210

3.4 Modelos lineales de diagramas de flujo de proceso(seccin optativa) 2133.4.1 Modelos lineales de unidades de proceso individuales 214

Ejemplo 3.14 Modelos lineales de mezcladores: mezcla dulce Ejemplo 3.15 Modelo lineal de un divisor de flujo: divisin dulce Ejemplo 3.16 Modelo lineal de un reactor: isomerizacin de

glucosa a fructosa Ejemplo 3.17 Modelo lineal de un reactor: reacciones mltiplesEjemplo 3.18 Modelo lineal de un separador: disoluciones dulces

3.4.2 Topologa del proceso 226Ejemplo 3.19 Modelos lineales con unidades de proceso

mltiples y recirculacin: renovacin de unaantigua planta

Estudio de caso: Fabricacin del nylon-6,6 234Resumen 244Historia de la qumica: de cepillos dentales y calcetines 246Respuestas a los exmenes rpidos 249Referencias y lecturas recomendadas 249Problemas del captulo 3 249

CAPTULO 4 Sntesis de diagramas de flujo delreactor y seleccin de las condicionesde proceso del reactor 263

4.1 Introduccin 2644.1.1 Reacciones qumicas importantes para la industria 2644.1.2 Heursticas para seleccionar reacciones qumicas 266

Contenido xi

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4.1.3 Una revisin breve: anlisis de generacin-consumo yeconoma del tomo 266Ejemplo 4.1 Generacin-consumo y economa del tomo:

sntesis mejorada del ibuprofeno 4.1.4 Variables de diseo del reactor 269

4.2 Ecuaciones de balance de materia de un reactor 2714.2.1 Reactores con estequiometra de reaccin conocida 271

Ejemplo 4.2 Reactor de flujo continuo en rgimenpermanente con estequiometra de reaccinconocida: combustin del gas natural

Ejemplo 4.3 Reactor por lotes con estequiometra dereaccin conocida: sntesis del ibuprofeno

Ejemplo 4.4 Reactor por semilotes con estequiometra dereaccin conocida: sntesis del ibuprofeno

4.2.2 Reactores con estequiometra de reaccin desconocida 278Ejemplo 4.5 Ecuacin de balance de materia con elementos:

combustin de gas natural Ejemplo 4.6 Velocidad de reaccin en masa:

degradacin microbiana de loscontaminantes del suelo

4.3 Especificaciones de composicin de la corriente y deldesempeo del sistema para reactores 2824.3.1 Especificacin de la composicin de corriente:

reactivos en exceso y limitante 284Ejemplo 4.7 Reactivos en exceso: un horno con

mal mantenimiento4.3.2 Especificacin del desempeo del sistema:

conversin fraccionaria 287Ejemplo 4.8 Conversin fraccionaria: sntesis del amoniacoEjemplo 4.9 El efecto de la conversin sobre los flujos

del reactor: sntesis del amoniaco 4.3.3 Conversin fraccionaria y su efecto en la sntesis del

diagrama de flujo del reactor: reciclaje 290Ejemplo 4.10 Conversin baja y reciclaje:

sntesis del amoniaco 4.3.4 Conversin fraccionaria y su efecto en la sntesis

del diagrama de flujo del reactor: reciclaje y purga 294Ejemplo 4.11 Reciclaje y purga: sntesis del amoniaco

4.3.5 Especificaciones del desempeo del sistema:selectividad y rendimiento 298Ejemplo 4.12 Definiciones de selectividad y rendimiento:

sntesis del acetaldehdo

xii Contenido

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Ejemplo 4.13 Utilizar la selectividad en clculos deflujo de proceso: sntesis del acetaldehdo

4.4 Por qu los reactores no son perfectos: equilibrio qumicoy cintica qumica 3044.4.1 La constante de equilibrio de la reaccin qumica Ka 304

Ejemplo 4.14 Derivar ecuaciones para Ka: tres casos4.4.2 Clculo de Ka 307

Ejemplo 4.15 Clculo de Ka: sntesis del acetato de etilo Ejemplo 4.16 Consideraciones de equilibrio qumico

en la seleccin de la ruta de reaccin:rutas ms seguras al carbonato de dimetilo

4.4.3 Equilibrio de la reaccin qumica y desempeo del reactor 314Ejemplo 4.17 Desempeo del reactor y Ka: sntesis del amoniaco Ejemplo 4.18 Conversin en equilibrio como una funcin de T y P:

sntesis del amoniaco Ejemplo 4.19 Equilibrio qumico mltiple y reactor T:

formacin de NOx 4.4.4 Cintica de la reaccin qumica y desempeo del reactor

(seccin optativa) 323Ejemplo 4.20 Cintica de la reaccin y desempeo

del reactor: procesamiento de vegetales Estudio de caso: Hidrgeno y metanol 327Resumen 335Historia de la qumica: deja de molestar! 337Respuestas a los exmenes rpidos 340Referencias y lecturas recomendadas 340Problemas del captulo 4 341

CAPTULO 5 Seleccin de tcnicas de separaciny sntesis de diagramas de flujo deseparacin 365

5.1 Introduccin 3665.1.1 Diferencias en las propiedades fsicas: el fundamento

de todas las separaciones 366Ejemplo 5.1 Diferencias en las propiedades fsicas:

separacin de la sal y el azcar 5.1.2 Mezclas y fases 3675.1.3 Clasificacin de las tcnicas de separacin 3695.1.4 Heursticas para la seleccin y determinacin de la

secuencia de las tcnicas de separacin 373

Contenido xiii

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Ejemplo 5.2 Seleccin de tcnica de separacin: separacin del benceno a partir de tolueno

Ejemplo 5.3 Seleccin de la tcnica de separacin:depuracin del gas de emisin de una imprenta

Ejemplo 5.4 Secuencia de las tcnicas de separacin:aromticos y cidos

5.2 Ecuaciones de balance de materia en los separadores 379Ejemplo 5.5 Separacin mecnica en semilotes:

filtracin de los slidos de la cervezaEjemplo 5.6 Separacin basada en la velocidad:

membranas para dilisis de rin

5.3 Composicin de las corrientes y especificaciones dedesempeo del sistema para los separadores 386

Ejemplo 5.7 Definicin de especificaciones deldesempeo del separador: separacinde benceno y tolueno

Ejemplo 5.8 Especificaciones de pureza y recuperacinen los clculos de flujo del proceso:separacin de benceno y tolueno

Ejemplo 5.9 Recuperacin fraccionada en las separacionesbasadas en la velocidad: membranas para dilisis renal

5.3.1 Recirculacin en los diagramas de flujo de la separacin 394Ejemplo 5.10 Separacin con recirculacin:

separacin de los ismeros del azcar

5.4 Por qu los separadores no son perfectos:arrastre y equilibrio 3985.4.1 El arrastre: separacin mecnica incompleta 398

Ejemplo 5.11 Explicacin del arrastre: la preparacin de caf 5.4.2 Equilibrio de fases y etapa de equilibrio 401

5.5 Un examen general (pero no exhaustivo) delequilibrio de fases 4035.5.1 La regla de las fases de Gibbs 4045.5.2 Equilibrio de fases de un solo componente 4055.5.3 Equilibrio de fases de multicomponentes 408

Ejemplo 5.12 Uso de la ley de Raoult: temperaturas depunto de roco y de punto de burbuja de lasmezclas de hexano-heptano

5.6 Separaciones basadas en el equilibrio 4235.6.1 Cristalizacin 425

Ejemplo 5.13 Clculos del flujo de proceso con los datosdel equilibrio lquido-slido: cristalizacindel nitrato de potasio

xiv Contenido

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Ejemplo 5.14 Efectos del arrastre en las separaciones basadasen el equilibrio: separacin de benceno y naftalenopor cristalizacin

5.6.2 Evaporacin, condensacin y destilacin en equilibrio 429Ejemplo 5.15 Clculos del flujo de proceso con la ley

de Raoult: deshumidificacin delaire por condensacin

Ejemplo 5.16 Clculos para el flujo de proceso con laley de Raoult: destilacin flash de unamezcla hexano/heptano

Ejemplo 5.17 Separaciones de vapor-lquido consoluciones no ideales: destilacin flash.Separacin de una mezcla etanol-agua

5.6.3 Destilacin (opcional) 434Ejemplo 5.18 El poder de las etapas mltiples: destilacin

en comparacin con la vaporizacin en equilibriopara la separacin hexano/heptano

5.6.4 Absorcin, adsorcin y extraccin 437Ejemplo 5.19 Clculos del flujo de proceso utilizando datos

del equilibrio gas-lquido: depuracin del airesucio por absorcin

Ejemplo 5.20 Clculos del flujo de proceso medianteisotermas de adsorcin: purificacin deanticuerpos monoclonales

Ejemplo 5.21 Clculos del flujo de proceso utilizandocoeficientes de distribucin lquida-lquida:depuracin de la corriente de aguas residualespor extraccin con disolventes

Ejemplo 5.22 Clculos del flujo de proceso utilizandodiagramas de fase triangular: separacinde cido actico y agua

5.6.5 Separaciones en mltiples etapas mediante agentes separadores tipo materia (opcional) 446Ejemplo 5.23 El poder de las mltiples etapas:

recuperacin del cido actico a partir delagua residual

Estudio de caso: Depuracin de gas cido 451Resumen 457Historia de la qumica: Qu tan dulce es? 458Respuestas a los exmenes rpidos 461Referencias y lecturas recomendadas 462Problemas del captulo 5 462

Contenido xv

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CAPTULO 6 Clculos de la energa del proceso y sntesisde los diagramas de flujo de energaseguros y eficientes 495

6.1 Introduccin 4966.1.1 Recursos energticos 4966.1.2 Distribucin de energa: electricidad, fluidos de

calentamiento y fluidos de enfriamiento 4996.1.3 Equipo de transferencia de energa 5006.1.4 Breve revisin de las dimensiones y unidades

relacionadas con la energa 502

6.2 Clculos de la energa del proceso: nociones bsicas 5046.2.1 Ecuacin de balance de energa 5046.2.2 Energa del sistema, flujos de energa, energa

especfica 505

6.3 Cuantificacin de la energa: datos de energay ecuaciones modelo 5076.3.1 Dos formas de energa: cintica y potencial 508

Ejemplo 6.1 Energa cintica y potencial: problema de nios Ejemplo 6.2 Cambio en la energa potencial: fusin de la nieve Ejemplo 6.3 Cambio en la energa cintica de una corriente:

Thomas Edison o Rube Goldberg? 6.3.2 Una tercera clase de energa y una funcin de conveniencia:

energa interna y entalpa 5116.3.3 Uso de tablas y grficas para encontrar y 512

Ejemplo 6.4 Uso de tablas de vapor para encontrar : varios casosEjemplo 6.5 Uso de tablas de vapor: bombeo del agua,

compresin de vapor Ejemplo 6.6 Comparacin de energa cintica, potencial e

interna: volador frecuente Ejemplo 6.7 Uso de las grficas de entalpa-composicin:

mezclas de amoniaco-agua 6.3.4 Uso de las ecuaciones modelo para encontrar y 521

Ejemplo 6.8 Clculos de la entalpa: entalpa de vaporizacindel agua a presin alta

Ejemplo 6.9 Clculos de la entalpa: entalpa de reaccin atemperatura elevada

6.3.5 Minirresumen 535

6.4 Flujos de energa: calor y trabajo 5366.5 Ecuacin de balance de energa: una vez ms 5386.6 Clculos de energa de proceso 540

6.6.1 Procedimiento sistemtico para los clculos deenerga de proceso 540

6.6.2 Consejos tiles para los clculos de energa deproceso 541

H

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H

H

U

xvi Contenido

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6.6.3 Una multitud de problemas 542Ejemplo 6.10 Energa potencial en trabajo: agua sobre la presaEjemplo 6.11 Balance integral de energa con un sistema cerrado:

desconexin de los tubos congeladosEjemplo 6.12 Cambio de temperatura con disolucin: seguridad

del tanque de disolucin custicaEjemplo 6.13 Balances simultneos de materia y energa:

el puesto de limonada de Mel y Dan Ejemplo 6.14 Balance de energa con destilacin flash en equilibrio:

separacin de hexano y heptano Ejemplo 6.15 Balance de energa con reaccin qumica:

temperatura adiabtica de flamaEjemplo 6.16 Balances de energa con mltiples reacciones:

sntesis del acetaldehdo Ejemplo 6.17 Prdida de calor en estado no estacionario:

enfriamiento de un lote de caldo esterilizado

6.7 Un muestrario de la energa de proceso (seccin opcional) 5606.7.1 Trabajo y la ecuacin de Bernoulli para ingeniera 560

Ejemplo 6.18 La ecuacin de Bernoulli para ingeniera:dimensionamiento de una bomba

6.7.2 Calor y la sntesis de las redes de intercambio de calor 563Ejemplo 6.19 Dimensionamiento del intercambiador de

calor: calentamiento del vapor de metanol convapor de agua

6.7.3 Procesos de conversin de energa 567Ejemplo 6.20 Conversin de la energa de reaccin en calor:

eficiencia del hornoEjemplo 6.21 Conversin de la energa de reaccin en trabajo:

anlisis de una mquina trmicaEjemplo 6.22 Conversin de la energa de reaccin en trabajo:

celdas de combustible de hidrgeno6.7.4 Energa y seguridad qumicas: explosiones 579

Ejemplo 6.23 Estimacin del potencial explosivo: trinitrotoluenoEstudio de caso: Manejo de energa en un reactor qumico 584Resumen 589Historia de la qumica: Saquen el plomo! 591Respuestas a los exmenes rpidos 595Referencias y lecturas recomendadas 595Problemas del captulo 6 596

APNDICE A Mtodos matemticos 621APNDICE B Propiedades fsicas 641APNDICE C Respuestas a los problemas

seleccionados 673Glosario 681ndice I-1

Contenido xvii

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PrefacioEsta obra, titulada Introduccin a los procesos qumicos: principios, anlisis y snte-sis, se pretende utilizar en un curso de introduccin de un semestre para los estudian-tes de la licenciatura en Ingeniera Qumica y disciplinas relacionadas. El texto asumeque los estudiantes han cursado un semestre de qumica general y uno o dos semestresde clculo en el bachillerato. Aunque la comprensin del material por parte del estu-diante sera ms profunda si hubiera tomado cursos de lgebra lineal o qumica org-nica, el texto est organizado de tal manera que estos antecedentes no sean necesariospara una consecucin exitosa.

Tendencias del cursoLos cursos introductorios de Ingeniera Qumica por lo general se enfocan en losclculos del proceso qumico. Se ensean balances de materia y energa, se presentanalgunos conceptos en termodinmica e informacin miscelnea sobre unidades, di-mensiones y la adaptacin de curvas. Al terminar el semestre, la mayora de los estu-diantes puede preparar y resolver las ecuaciones de balance de materia y energa en unproblema bien definido, pero no tienen una buena comprensin de cmo estos clcu-los se relacionan con el diseo de procesos qumicos reales para generar productos.

Hace varios aos, la comunidad docente de Ingeniera Qumica en UW-Madisondecidi redisear nuestro curso introductorio. Nuestra meta era doble: 1) proporcionara los estudiantes una mejor idea acerca de cmo los procesos qumicos convierten ma-terias primas en productos tiles, y 2) proporcionar a los estudiantes una apreciacinde la forma en que los ingenieros qumicos toman decisiones y evalan las restriccio-nes para idear nuevos procesos y productos. Nuestra intencin era que al final del se-mestre los estudiantes fueran capaces, con una cantidad mnima de informacin, desintetizar un diagrama de flujo de proceso qumico, con lo cual se aproximaran a losprocesos industriales reales. Esto incluye la seleccin de tecnologa de separacinapropiada, determinacin de las condiciones razonables de operacin, optimizacin delas variables importantes del proceso, la integracin de necesidades de energa, y elclculo de los flujos de materia y energa. Esto es posible en el nivel introductorio atravs del uso de casos restrictivos, idealizaciones, aproximaciones y heursticas.

El enfoque moderno equipa a los estudiantes con las herramientas necesarias pa-ra pensar acerca de las estrategias creativas de sntesis del proceso qumico y refuerzaen gran medida la comprensin acerca de la conexin que existe entre la qumica y elproceso. Proporciona a los estudiantes un marco de referencia que va ms all del plande estudios: los estudiantes se encuentran ms motivados para esforzarse a travs delrigor y de la abstraccin que caracteriza a los cursos de ciencias de ingeniera, comotermodinmica, transporte y cintica, porque ha sido posible la interrelacin de losconceptos fundamentales y la solucin de problemas prcticos de ingeniera. Los cur-

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sos superiores de diseo de procesos vuelven a visitar el mismo terreno pero a un ni-vel ms sofisticado. Los estudiantes aprenden que los principios de los procesos qu-micos y las estrategias de sntesis y anlisis del proceso, pueden ser aplicados demanera ventajosa a una enorme diversidad de problemas: desde el trnsito de un me-dicamento al nivel intracelular hasta la acumulacin de contaminantes en el ecosiste-ma. La disponibilidad de herramientas computacionales de clculo fciles de usarimplica que en un curso introductorio los estudiantes puedan enfrentarse a problemasdesafiantes y complejos.

OrganizacinMuchas veces, los estudiantes deciden especializarse en Ingeniera Qumica porque lesagradan la Qumica y las Matemticas, y estn interesados en sus aplicaciones prcti-cas. En el diseo de este texto, hemos intentado tener presente esta motivacin. Y sinms prembulos, comenzamos en el captulo 1 con un enlace a los cursos de Qumicade los estudiantes de primer ao de licenciatura. Mostramos cmo se utilizan los con-ceptos estequiomtricos simples para elegir las materias primas y las rutas de reaccin.Los estudiantes deben entender que la ingeniera no consiste nicamente en hacer cl-culos, sino que se usa para realizar de manera adecuada clculos y elegir mejores op-ciones. La idea de combinar clculos, datos y heursticas para realizar elecciones es untema central a lo largo del texto.

El captulo 2 presenta la idea simple pero poderosa de la diagramacin de los flu-jos de proceso como un medio del ingeniero qumico para comunicar ideas acerca delas materias primas, la qumica de la reaccin, los pasos del procesamiento y los pro-ductos. Aqu los estudiantes aprenden los 10 pasos fciles para los clculos de flujo deproceso y se presentan, de una manera muy conceptual, las variables del sistema, las es-pecificaciones y corrientes del sistema, y los balances de materia. Se trabajan a detallenumerosos problemas de ejemplo, basados en una amplia diversidad de aplicaciones.

En el captulo 3 volvemos a tratar las ecuaciones de balance de materia, la este-quiometra de la reaccin, y la diagramacin del flujo de proceso, pero con un enfo-que ms riguroso y matemtico. A lo largo del texto se conserva esta organizacin enforma de espiral, en la que se refuerzan primero los conceptos que se presentaron enlos captulos preliminares y posteriormente se profundiza y ampla la comprensin deestos conceptos para el estudiante. En este captulo, las ecuaciones de balance de ma-teria se derivan de los principios de la conservacin de la masa, mediante un formatoque el estudiante estudiar en cursos ms avanzados sin evitar los procesos transito-rios. En las secciones opcionales, se demuestra el poder del lgebra lineal para encon-trar los sistemas independientes de reacciones qumicas, para determinar la existenciay singularidad de las soluciones a sistemas de ecuaciones lineales y para desarrollarmodelos lineales flexibles de los procesos qumicos.

Los captulos 4 y 5 tratan con mayor profundidad los reactores y separadores. Seanalizan las heursticas de sntesis del reactor y los diagramas de flujo de los trenes deseparacin en serie. Tambin se presentan las medidas cuantitativas de desempeo delreactor y del separador, y los estudiantes aprenden cmo influyen las caractersticastcnicas del desempeo en los clculos de flujo y en el diseo del proceso. Dentro de

Prefacio xix

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este contexto, se analiza el equilibrio de la reaccin qumica y el equilibrio de fasescon algn detalle. Los estudiantes aprenden que el equilibrio impone restricciones aldesempeo de reactores y separadores, pero tambin aprenden a seleccionar las con-diciones de operacin del proceso y cmo disear con base en estas restricciones. Ade-ms, los estudiantes adquieren experiencia considerable cuando emplean datos depropiedades fsicas, grficas y ecuaciones modelo.

Por ltimo, en el captulo 6 se explican las ecuaciones de balance de energa y losclculos de la energa del proceso. Se desarrolla una estrategia de 12 pasos fciles pa-ra manejar estos problemas, la cual se ilustra en muchos problemas de ejemplo. Losestudiantes aprenden las tcnicas para conservar los recursos energticos de manerasegura y atinada.

Caractersticas del textoEl texto est escrito para motivar a los estudiantes a:

Relacionar la qumica. El texto proporciona un eslabn claro hacia los cursos deQumica de primer grado de la licenciatura. Los estudiantes permanecern ms in-teresados en los procesos y conseguirn un mejor gusto por los procesos qumicossi entienden cmo se relaciona la qumica con el procesamiento.

Sintetizar los procesos qumicos. El texto trata los clculos del proceso como unmedio para lograr el fin: el diseo de procesos qumicos seguros, confiables, am-bientalmente sanos y econmicos. El enfoque de la autora proporciona a los estu-diantes un mejor entendimiento acerca de cmo estos clculos dan forma a laselecciones que se deben realizar en el diseo de procesos qumicos para la obten-cin de los productos deseados.

Desarrollar estrategias slidas para resolver problemas. El desarrollo de bue-nas estrategias de resolucin de problemas es un resultado importante de este cur-so introductorio. Los lectores encontrarn un enfoque sistemtico para derivarecuaciones y darse cuenta de las especificaciones. Una nueva caracterstica de es-te texto es el uso de heursticas, las cuales presentan a los estudiantes principian-tes la nocin referente a que los profesionales de la ingeniera dependen no slode los clculos, sino tambin del cmulo de sus experiencias.

Inventar y analizar. El texto integra lo mejor de la filosofa de la sntesis delproceso con enfoques, problemas y tcnicas modernos. Los estudiantes aprendenque los principios de sntesis del proceso se aplican lucrativamente a los proble-mas en biotecnologa, medicina, ciencia de los materiales y proteccin ambiental.

Permitir el predominio de la pedagoga. El texto se apoya en gran medida en lapedagoga, herramientas para guiar al lector y reforzar los contenidos de la asig-natura. Algunos de los elementos pedaggicos empleados en este texto incluyenlas secciones Consejos tiles, Historia de la qumica, Saba usted? y Estudio decasos. Para obtener una apreciacin global de los elementos pedaggicos vea laseccin de Visita guiada.

Explorar el software. Este texto no est directamente vinculado a un programade software, lo que permite a los estudiantes utilizar el software como una herra-

xx Prefacio

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mienta comn para resolver problemas. Un apndice ilustra el uso de hojas de cl-culo para encontrar races de ecuaciones, de calculadoras cientficas para resolverecuaciones matriciales y de software de graficacin para ajustar las ecuacionesmodelo a los datos.

Materiales de apoyoEsta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de ense-anza-aprendizaje, as como la evaluacin de los mismos, los cuales se otorgan a pro-fesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener ms informacin yconocer la poltica de entrega de estos materiales, contacte a su representante deMcGraw-Hill.

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Acerca de la autora

Regina Murphy recibi su licenciatura en Ciencias en Ingeniera Qumica en 1978 porel MIT, despus trabaj en Richmond Refinery de Chevron para conocer la ingenierareal. Durante sus cinco aos en Chevron desempe varios puestos, todos ellos difci-les. En 1983, regres al MIT donde pas muchas horas felices jugando al baloncestoy softball y festejando en el bar Muddy Charles, hasta que finalmente obtuvo su doc-torado bajo la gua de Clark Colton y Martin Yarmush. En 1989 ingres a la planta do-cente en el departamento de Ingeniera Qumica en la Wisconsin-Madison University.Sus intereses actuales en la investigacin estn orientados al plegamiento deficiente yagregacin de protenas. Ha impartido varios cursos a lo largo del plan de estudios, conun inters particular en el proceso qumico; en la actualidad es catedrtica departamen-tal asociada para los asuntos del estudiante. Vive en una vieja casa victoriana en Ma-dison con su marido Mark Etzel, tambin profesor en UW, y sus hijos gemelos.

xxiii

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Me gustara brindar mi reconocimiento a muchas personas que han contribuido endiversas formas a este proyecto. En particular a:

Dale Rudd, quien es coautor de Process Synthesis y proporcion el consejo sabioacerca de cmo tratar con los editores.

Michael Mohr, un instructor afectuoso y con gran ingenio que me proporcion miprimera introduccin a la ingeniera qumica.

Thatcher Root, quien alegremente ense durante muchos semestres con versio-nes preliminares de este texto, y no slo proporcion numerosos problemas de fin decaptulo, sino tambin ideas prcticas y apoyo moral.

Reconocimientos

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Eray S. AydilUniversity of California, SantaBarbara

Chelsey D. BaertschPurdue University

Paul BlowersUniversity of Arizona

Paul C. ChanUniversity of MissouriColumbia

Wayne R. CurtisThe Pennsylvania State University

Janet De GraziaUniversity of Colorado at Boulder

Jeffrey DerbyThe University of Minnesota

Gregory L. GriffinLouisiana State University

Sarah W. HarcumClemson University

Joseph KisutczaNew Jersey Institute of Technology

Dana E. KnoxNew Jersey Institute of Technology

Douglas LloydThe University of Texas at Austin

Teng Ma Florida State University

Michael E. MackayMichigan State University

Susan MontgomeryUniversity of Michigan

James F. RathmanOhio State University

James T. RichardsonUniversity of Houston

Richard L. RowleyBrigham Young University

Michael S. StranoUniversity of Illinois at Urbana-Champaign

Eric ThorgersonNortheastern University

Timothy M. WickGeorgia Institute of Technology

Lale YurttasTexas A&M University

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Reconocimientos xxv

Holly Ferguson, por sus persistentes esfuerzos para verificar todos los ejemplos ylos problemas de fin de captulo, por encontrar y arreglar varios errores, y por su amis-tad durante muchos aos.

A Harvey Spangler, una persona amistosa y prctica que elabora bolgrafos de ma-dera extraordinarios, por su patrocinio para la ctedra que proporcion los fondos pa-ra hacer posible la realizacin de este proyecto.

A muchos estudiantes en UW, quienes sufrieron en las versiones preliminares conerrores recurrentes y a pesar de ello participaron con entusiasmo en este experimento.

A muchos maestros de las escuelas secundarias de Lapham y Marquette que medieron una perspectiva fresca para aprender y ensear, quienes me ensearon que elaprendizaje es arriesgado y que los mejores maestros son los que proporcionan un am-biente en donde los estudiantes puedan arriesgarse sin miedo a lo desconocido.

A Amanda Green, Suzanne Jeans, Mary E. Powers y todas las personas deMcGraw-Hill por apoyar este proyecto a travs de su altas y bajas, y por alentarme aterminar realmente el libro.

A Kevin y Nick, quienes, durante el curso de este proyecto, de nios pequeos sehan convertido en adolescentes; ellos inspiraron al menos un dibujo animado, un exa-men rpido o un problema de ejemplo (adivina cules!), teclearon algunas de las ta-blas del apndice B (por una cuota), y an tienen deseos de jugar basquetbol con sumam.

A Mark, por sus contribuciones de problemas e ideas, pero principalmente por suinquebrantable apoyo y amor por muchos, muchos aos.

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Consejo til

La ley del gas idealno aplica a lquidosy slidos!

Saba usted?

Los ingenieros qumicosprefieren los procesosqumicos continuos. Perono est claro lo que hacenlos consumidores. Porejemplo, la etiqueta enuna bolsa de papas fritasgourmet se jacta de queest hecho en lotes pe-queos. La fabricacinen lote se utiliza paraimplicar que fue hechocon ms cario, produc-tos de calidad superior;tales productos requierende un precio especial enla tienda de comestibles.

Visita guiadaHerramientas que refuerzan los conceptosPalabras para aprenderen este captuloUna seccin titulada En este captulo proporciona una breve introduccin de los con-tenidos y una lista con vietas de preguntas que se abordan en cada captulo. Una lis-ta de Trminos para aprender tambin se presenta al principio de los captulos. Estoselementos ayudan a que el lector se enfoque en los puntos fundamentales cuando leecada captulo.

xxvi

Examen rpidoLos Exmenes rpidos estn dispersos por todos los captulosy tienen la intencin de poner a prueba la comprensin del es-tudiante acerca de los temas presentados. Las respuestas aestos exmenes se proporcionan al final de cada captulo.

CAPTULO UNO

Transformacinde los recursos terrestres

en productos tiles

En este captulo

Se inicia el estudio de la sntesis de los procesos qumicos. Las reacciones qumicasson la piedra angular de los procesos qumicos, por lo que se comenzar con la revi-sin de la estequiometra de reaccin y las ecuaciones qumicas balanceadas. Se mos-trar cmo las reacciones qumicas convierten la materia prima en los productosdeseados. Se aprender a realizar una evaluacin preliminar de las cantidades de ma-teria prima necesaria para elaborar un producto, de las cantidades e identidades de pro-ductos desechados, y de la economa del proceso involucrado en la eleccin de lasmaterias primas y las reacciones qumicas.

He aqu algunas de las preguntas que se formulan en este captulo:

Qu materias primas estn disponibles? Cmo pueden combinarse las reacciones qumicas en rutas para convertir de ma-

nera eficiente la materia prima en productos? Cunta materia prima se consume? Qu subproductos se generan? Cules son las sencillas medidas aplicables para comparar el impacto econmi-

co y ambiental de diferentes materias primas o rutas de reaccin qumica?

Trminos para aprender

Conforme lea el captulo 1 encontrar los siguientes trminos:

Sntesis del proceso qumicoEcuaciones balanceadas de las reacciones qumicasCoeficientes estequiomtricosA li i d i

1

EjemplosCerca de 100 ejemplos resueltos indican la idea conceptual del problema, y estn diseados tanto para ilus-trar como especificar la aplicacin elegida. En los problemas de ejemplo se usan temas clsicos y modernos.

Consejos tilesSaba usted?Las secciones Consejo til ySaba usted? pueden encon-trarse en los mrgenes difundi-das a travs del texto. Losconsejos tiles estn diseadospara ayudar a los estudiantescon cuestiones difciles.

Ecuacin integral con flujo no permanente y reaccin qumica:liberacin controlada de frmacos

Los pacientes con ciertas enfermedades son tratados mediante inyecciones de protenas ofrmacos en su torrente sanguneo. En la inyeccin hay un incremento sbito en la concen-tracin de protena o frmacos en la sangre a niveles muy altos, pero despus esta concen-tracin desciende con rapidez. Con frecuencia, la concentracin de sangre ms estable esdeseable para reducir efectos txicos colaterales y aumentar la eficacia teraputica. La tec-nologa de liberacin controlada reduce la variabilidad en la concentracin de frmacos enla sangre. En la liberacin controlada, la protena o los frmacos se encapsulan en un po-lmero y se liberan lentamente en el torrente sanguneo. Esto mantiene la concentracin defrmacos o protena en el torrente sanguneo a un nivel ms bajo y constante.

1. 100 g de un frmaco se deposita en una cpsula de liberacin controlada y despus sei i El f lib l id d d 8 0 1t /h d d

Consejo til

Si comienza a sen-tirse confundidorecuerde, acumu-lacin entrada salida (genera-cin consumo),

Ejemplo 3.10

Examenrpido 5.8

Con base en la ecua-cin de Antoine,cul es la presin desaturacin del H2O

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Estudio de casosSe proporcionan Estudios de casos al final de cada captulo. Estos ejemplos ilustran a profundidad la aplica-cin de los conceptos clave de ese captulo a los problemas modernos. Los estudios de casos integran anli-sis y sntesis, y fomentan en el estudiante la confianza en su habilidad para manejar problemas y temascomplejos.

xxvii

ESTUDIO DE CASO Qumica de seis carbonos

En este estudio de caso se ilustra cmo aplicar los conceptos que se presentaroel captulo 1 para tomar decisiones referentes a las materias primas, los produclas rutas de reaccin, considerando con alguna profundidad los procesos especde importancia en los negocios de los compuestos qumicos orgnicos. Estos psos estn ligados a los compuestos de seis carbonos.

Se consideran dos cuestiones:

1. El benceno es un compuesto de seis carbonos que se extrae mediante la purcin del petrleo. Suponga que se tienen disponibles 15 000 kg/da de ben

Resmenes de final de captuloLas secciones Resumen aparecen al final de cada ca-ptulo y proporcionan una apreciacin global de lasdefiniciones y ecuaciones clave del mismo.

Los procesos qumicos convierten las materias primas en productos tiles. En lasfases iniciales de la sntesis del proceso qumico, se eligen las materias primaspara elaborar un producto especfico o se determina qu productos fabricar a par-tir de una materia prima especfica. Se elige una ruta de reaccin qumica paraconvertir las materias primas elegidas en los productos deseados. Estas opcionestienen profundas consecuencias en la viabilidad tcnica y econmica del proceso.

Resumen

Historia de la qumica: transformacinde la sal en jabn

El jabn se elabora combinando grasas o aceites de animales o plantas con un materialcalino. Si bien, en la actualidad la sosa custica (hidrxido de sodio, NaOH) es el lcque se utiliza para fabricar jabn, en el pasado el carbonato de sodio (Na2CO3), el hidxido de potasio (KOH) y el carbonato de potasio (K2CO3) eran las opciones comunes.

En los aos de 1700 en Europa, el jabn era un lujo reservado para la clase pudie

Problemas del captulo 2

Ejercicios preparatorios

P2.1 a) 1 g de hidrgeno (H2) es mezclado con 1 g de benceno (C6H6) y 1 g de ciclohexano (C6H12). Toda la mezcla es gaseosa. Cul es la fraccin en masa y la fraccin molar de hidrgeno, benceno y ciclohexano en la mezcla?

b) 1 gmol de hidrgeno (H2) se mezcla con 1 gmol de benceno (C6H6) y 1gmol de ciclohexano (C6H12). Toda la mezcla es gaseosa. Cul es la fraccin molar y la fraccin en masa de hidrgeno, benceno y ciclohexano enla mezcla?

P2.2 Usted entra en el laboratorio y pone un matraz volumtrico de 100 mL sobreuna balanza. Calibra la balanza para que lea 0 g. Luego mide fructosa anhidra(C6H12O6, el principal azcar en la fruta) en el frasco hasta que la balanza lea15.90 g. Entonces llena el frasco hasta la lnea de 100 mL con agua. La balanza lee 105.97 g ahora. Calcule el porcentaje en peso de fructosa y el porcentaje molar de fructosa de la disolucin. La masa molar de fructosa es de 180g/gmol y la del agua es de 18 g/gmol.

P2.3 Si el aire contiene un 79 %mol de N2 y un 21 %mol de O2, cul es la masa(en gramos) de 1 gmol de aire? Cul es el porcentaje en peso de N2 y O2 en eaire?

P2.4 El cuerpo humano contiene un 63% de H, 25.5% de O, 9.45% de C, 1.35% deN, 0.31% de Ca y 0.22% de P, ms varios elementos presentes en cantidadems pequeas.

Historia de la qumicaLas secciones tituladas Historia de la qumica describen even-tos histricos, as como la vida de las personas que contribuye-ron a enriquecer la industria qumica y sus productos. Lashistorias dan vida a productos qumicos que nosotros damos porsentado, ilustran la humanidad de los hroes de la tecnologaqumica, demuestran que las fuerzas sociales y polticas mane-jan el progreso cientfico y la ingeniera, y advierten a los lec-tores que los descubrimientos tecnolgicos a veces tienenefectos adversos no deseados.

Problemas de tareaLos Problemas de tarea estn divididos en cuatro categoras:

-Ejercicios preparatorios: preguntas que cubren las defini-ciones bsicas y los clculos directos. Pericia mnima.-Entrenamiento y habilidades: los problemas de entrena-miento y habilidades cubren las habilidades y conceptos fun-damentales aprendidos en ese captulo. Pericia promedio.-Prctica: los problemas de prctica requieren la aplicacinde ms de una habilidad o concepto y pueden involucrar ma-terial de captulos mltiples (anteriores). Se necesita creativi-dad y algunos problemas requieren investigacin en labiblioteca.-Da del juego: los problemas del da del juego estn mejorpreparados para el uso en el aula o como trmino de proyec-tos y pueden usarse para promover el trabajo en equipo ymejorar las habilidades de comunicacin.

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Lista de nomenclatura(unidades tpicas)

actividad del compuesto i (adimensional)

capacidad calorfica a presin constante, (J/gmol C o J/g K)

capacidad calorfica a volumen constante, (J/gmol C o J/g K)

energa cintica (kJ)

energa potencial (kJ)

conversin fraccionaria del reactivo i (adimensional)

recuperacin fraccionaria del componente i en la corriente j (adi-mensional)

divisin fraccionaria para la corriente j (adimensional)

g aceleracin debida a la gravedad (m/s2)

energa molar estndar de formacin de Gibbs, normalmente 298 Ky 1 atm (kJ/gmol)

energa molar de reaccin de Gibbs (kJ/gmol)

energa molar estndar de reaccin de Gibbs, normalmente a 298 Ky 1 atm (kJ/gmol)

h altura sobre un plano de referencia (m)

constante de la ley de Henry (atm)

H entalpa (kJ)

flujo de entalpa (kJ/s)

entalpa molar o especfica (kJ/gmol o kJ/g)

entalpa estndar de combustin (kJ/gmol)

entalpa molar estndar de formacin, normalmente a 298 K y1 atm (kJ/gmol)

entalpa molar o especfica de fusin (cambio de fase slido a lqui-do) (kJ/gmol o kJ/g)

entalpa molar o especfica de mezcla (kJ/gmol o kJ/g)H

mix

H

m

H

f

H

c

HH#

Hi

G

r

G

r

G

f

fSj

fRij

fCi

Ep

Ek

Cv

Cp

ai

xxviii

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entalpa molar de reaccin (kJ/gmol)

entalpa molar estndar, normalmente a 298 K y 1 atm (kJ/gmol)

entalpa molar o especfica de disolucin (kJ/gmol o kJ/g)

entalpa molar o especfica de evaporacin (kJ/gmol o kJ/g)

constante de equilibrio de la reaccin qumica

M masa molar (g/gmol)

msis masa en el sistema (g)

velocidad de flujo de masa (g/s)

nsis moles en el sistema (gmol)

velocidad de flujo molar (gmol/s)

P presin (atm, N/m2, bar)

presin parcial del compuesto i (atm, N/m2, bar)

presin de saturacin del compuesto i (atm, N/m2, bar)

Q calor (kJ)

velocidad de transferencia de calor (kJ/s)

R constante del gas ideal (J/gmol-K, litro-bar/gmol K)

velocidad de masa de reaccin del compuesto i en la reaccin k(g/s)

velocidad molar de reaccin del compuesto i en la reaccin k(gmol/s)

selectividad fraccionaria para la conversin del reactivo A en el pro-ducto P (adimensional)

t tiempo (s)

T temperatura (C, K)

temperatura del punto de ebullicin normal (C, K)

temperatura del punto de fusin normal (C, K)

U energa interna (kJ)

energa interna molar o especfica (kJ/gmol o kJ/g)

y velocidad (m/s)

V volumen (m3)

volumen molar o especfico (m3/gmol, m3/kg)

fraccin en peso de i (adimensional)wi

V

U

Tm

Tb

sAP

r# ik

R#

ik

Q#

P sati

pi

n#

m#

Ka

H

v

H

soln

H

r

H

r

Lista de nomenclatura (unidades tpicas) xxix

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W trabajo (kJ)

trabajo del eje (kJ)

velocidad de transferencia de trabajo (kJ/s, kW, hp)

velocidad de transferencia de trabajo del eje (kJ/s, kW, hp)

fraccin molar de i, tpicamente en la fase lquida o slida(adimensional)

yz fraccin molar de i en la fase de vapor (adimensional)

rendimiento fraccionario para la conversin del reactivo A en elproducto P (adimensional)

fraccin molar de i en la alimentacin (adimensional)

Subndices

f final

h elemento

i compuesto o componente de corriente

j corriente

k reaccin

0 inicial

Letras griegas

factor de separacin para los componentes A y B (adimensional)

nmero de tomos del elemento h en el compuesto i

coeficiente estequiomtrico del compuesto i en la reaccin k

densidad (kg/m3 o gmol/m3)

avance de reaccin (gmol)

avance de reaccin (gmol/s)

factor de multiplicacin para la reaccin k

eficiencia (adimensional)h

xk

j#j

r

nik

hi

aAB

z i

yAP

yi

x i

W#

s

W#

Ws

xxx Lista de nomenclatura (unidades tpicas)

MurPrelim.qxd 1/22/07 7:07 PM Page xxx

Lista de ecuaciones importantes

Ecuaciones de balance de materiaForma diferencial:

Masa total:

Masa de i

Moles totales:

Moles de i

Forma integralMasa total:

Masa de i

Moles totales:

xxxi

dm sisdt toda j

entra

m#

j m#

jtoda jsale

dmi, sisdt m

#ij m

#ij nik Mi j

#k

toda jentra

toda jsale

toda reaccin k

dn sisdt n

#j n

#j

toda jentra

toda jsale

dni, sisdt n

#ij n

#ij

toda reaccin k

nik j#

ktoda jentra

toda jsale

m sis, f m sis,0 atf

t0m#

j dtb atf

t0m#

j dtbtoda jentra

toda jsale

mi,sis, f mi,sis , 0 atf

t0m#

ij dtb atf

t0m#

ij dtb atf

t0vik Mi j

#kdtb

toda jsale

toda jentra

toda reaccin k

nsis, f nsis, 0 atf

t0n#j dtb

atft0

n#j dtb

atf

t0vik j

#k dtb

toda reaccin k

toda jentra

toda jsale

todo componente i

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Moles de i

Especificaciones del desempeo del sistemaDivisor de flujo

Divisin fraccionaria:

ReactorConversin fraccionaria:

Selectividad:

Rendimiento:

SeparadorRecuperacin fraccionaria:

Factor de separacin:

aAB xA1xA2

xB2xB1

xxxii Lista de ecuaciones importantes

ni, sis, f ni,sis, 0 toda jentra

atft0

n#

ij dtb atf

t0n#

ij dtb toda

reaccin k

atft0nik j

#k dtb

toda jsale

fSj moles de i en la corriente de salida moles de i alimentados al divisor

n#ij

n#i, entra

fCi moles de i consumidos por reaccin

moles de i alimentados al reactor nik j

#k

n i, entra

toda reaccin k

sAP moles de reactivo A convertido en producto P

moles de reactivo A consumido nA1nP1

nPk j#

k

nAk j#

k toda reaccin k

toda reaccin k

- nA1nP1

nPk j#

k

n#

A, entra

yAP moles de reactivo A convertido en el producto deseado P

moles de reactivo A alimentado

toda reaccin k

fRij moles de i salen en la corriente j

moles de i alimentado al separador n#ij

n#i, entra

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Equilibrio de reacciones qumicas

donde, para la primera aproximacin,

para un gas

para un lquido

para un slido

donde y .

Equilibrio de fases

Ley de Raoult:

Ley de Henry:

Ecuaciones de balance de energaForma diferencial:

Forma integral:

yi HiP x i

yi Pi

sat

P x i

H

r niH

i,fG

r niG

i,f

ln Ka,T - 1R c

G

r H

r

298 H

r

T dai 1

ai x i

ai yiP

1 atm

Lista de ecuaciones importantes xxxiii

Ka todo i

aini

toda j entra

m #

j 1Ek, j Ep,j H j2 m # j 1Ek,j Ep,j H j2 j Q#

j j

W#

s, j

d1Ek,sis Ep,sis Usis 2dt

toda j sale

3Ek,entraEk,sale 4 3Ep,entraEp,sale4 3HentraHsale 4Q Ws1Ek,sis Ep,sis Usis 2f 1Ek,sis Ep,sis Usis 20

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CAPTULO UNO

Transformacinde los recursos terrestres

en productos tiles

En este captulo

Se inicia el estudio de la sntesis de los procesos qumicos. Las reacciones qumicasson la piedra angular de los procesos qumicos, por lo que se comenzar con la revi-sin de la estequiometra de reaccin y las ecuaciones qumicas balanceadas. Se mos-trar cmo las reacciones qumicas convierten la materia prima en los productosdeseados. Se aprender a realizar una evaluacin preliminar de las cantidades de ma-teria prima necesaria para elaborar un producto, de las cantidades e identidades de pro-ductos desechados, y de la economa del proceso involucrado en la eleccin de lasmaterias primas y las reacciones qumicas.

He aqu algunas de las preguntas que se formulan en este captulo:

Qu materias primas estn disponibles? Cmo pueden combinarse las reacciones qumicas en rutas para convertir de ma-

nera eficiente la materia prima en productos? Cunta materia prima se consume? Qu subproductos se generan? Cules son las sencillas medidas aplicables para comparar el impacto econmi-

co y ambiental de diferentes materias primas o rutas de reaccin qumica?

Trminos para aprender

Conforme lea el captulo 1 encontrar los siguientes trminos:

Sntesis del proceso qumicoEcuaciones balanceadas de las reacciones qumicasCoeficientes estequiomtricosAnlisis de generacin-consumoEconoma del tomoBase de clculoFactor de escalaEconoma del proceso

1

1

Mur01.qxd 1/22/07 6:42 PM Page 1

1.1 IntroduccinPor qu los humanos sintetizan, disean, construyen y operan procesos qumicos?

Para elaborar un producto que tiene una funcin deseada especfica. Muchos ni-os llevan su almuerzo a la escuela todos los das. No sera estupendo contar con unempaque de material ligero, seguro, fcil de abrir para transportar jugo o leche? Losenvases de bebidas aspticamente empaquetadas cumplen estos requisitos del produc-to y han reemplazado los pesados y voluminosos termos en las mochilas del almuer-zo. Pero, aunque los productos desechables son convenientes, llevan implcito elproblema de la eliminacin de desechos.

Para convertir materiales de desecho en productos tiles. Para elaborar 1 libra dequeso se utilizan 10 libras de leche. Las 9 libras restantes son suero. Por lo general, elsuero simplemente era un producto residual que se descargaba en canales de agua cer-canos o se rociaba en los campos de cultivo. En la actualidad se han desarrollado pro-cesos de recuperacin de los componentes tiles del suero. Por ejemplo, la protenalactoferrina se extrae del suero y se emplea en frmulas infantiles para mejorar la cap-tacin de hierro. De forma similar, los azcares del suero pueden servir como materiaprima en la produccin de polmeros biodegradables.

Para mejorar el desempeo de un material natural. La vincristina es un alcaloidede la vinca presente en cantidades diminutas en la planta de pervinca. Al ser concen-trada y purificada, la vincristina ha demostrado ser un potente medicamento para tra-tar la leucemia y los linfomas. Su xito ha llevado a la sntesis en el laboratorio demolculas estructuralmente relacionadas, y cualesquiera de stas podran servir comomedicinas eficaces para tratar diferentes tipos de cncer.

Para convertir materia en energa. A diario se utilizan grandes cantidades de ener-ga para calentar o enfriar los hogares, impulsar los vehculos de motor y cocinar los ali-

2 Captulo 1 Transformacin de los recursos terrestres en productos tiles

SiProceso qumico

Figura 1.1 Los procesos qumicos convierten la materia prima en productos deseados.En la sntesis de los procesos qumicos, se elige la materia prima apropiada, se seleccionanlas reacciones qumicas y las operaciones fsicas necesarias para transformar las propiedadesde las materias primas en las de los productos deseados. El objetivo es disear un procesoqumico que sea seguro de operar, que utilice de manera eficaz y econmica la materia pri-ma, que los productos deseados sean confiables, y que tengan un impacto ambiental mnimo.

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mentos. Las industrias manufactureras tambin requieren energa para poner en marchasus procesos. Gran parte de esta energa se deriva de la combustin de combustibles f-siles como el gas natural, petrleo o carbn. En este proceso, la materia prima (gas na-tural, por ejemplo) reacciona con el oxgeno para formar dixido de carbono y agua. Eneste caso, lo til es la energa liberada por la reaccin, no los productos de la reaccin.

Los procesos qumicos convierten materias primas en productos necesarios al cam-biar las propiedades qumicas y/o fsicas de los materiales (figura 1.1). Una enorme ga-ma de industrias (del papel, alimentos, plsticos, fibras, vidrio, materiales electrnicos,combustibles, farmacuticos, por nombrar algunas) depende de los procesos qumicos.El arte y la ciencia de la sntesis de los procesos qumicos estriban en elegir la materiaprima y la ruta de reaccin qumica apropiadas, y en el desarrollo de un proceso qumi-co eficiente, econmico, confiable y seguro. Antes de que el desarrollo del proceso pue-da comenzar es necesaria la planeacin de los requerimientos del producto, de estamanera la ingeniera del producto y la ingeniera del proceso estn inextricablementeunidas. La calidad y disponibilidad de materias primas, las previsiones econmicas, laseguridad y confiabilidad del producto, los aspectos concernientes a la comercializa-cin, patentes y propiedad de tecnologa, todo influye en el diseo del proceso.

1.2 Materias primasEn ltima instancia, todas las materias primas derivan de la Tierra (figura 1.2). Las ma-terias primas fundamentales son:

Aire. Abundante, fcilmente disponible y econmico, el aire sirve como fuente deoxgeno y nitrgeno en muchos procesos qumicos. El oxgeno se usa en gran medidapara inducir reacciones de oxidacin, y su empleo ms importante es en la quema decombustibles para generar calor y electricidad. El descubrimiento de un mtodo parafijar el nitrgeno atmosfrico y convertirlo en amoniaco lquido hizo florecer la in-dustria de fertilizantes agrcolas en general, con repercusiones muy importantes en laproduccin de alimentos suficientes para el consumo de la poblacin mundial en cons-tante crecimiento.

Agua. El agua se utiliza como reactivo en muchos procesos qumicos y cumpleuna importante funcin como disolvente, particularmente en las industrias de la bio-tecnologa: la antigua (por ejemplo, en la elaboracin de cerveza), de mediana edad(produccin de antibiticos a travs de la fermentacin) o nueva (produccin de insu-lina a partir de clulas genticamente diseadas). El agua puede servir en el futuro co-mo fuente de hidrgeno, un energtico de combustin limpia, aunque esto serademasiado costoso con la tecnologa actual.

Minerales. Los minerales son elementos o compuestos inorgnicos slidos. Unmineral importante es la sal que, adems de su uso como preservativo y condimento,sirve como materia prima para la enorme industria del cloro-lcali. Los minerales sonla materia prima de las industrias dedicadas a las sustancias qumicas inorgnicas, lascuales producen circuitos integrados de silicio para las computadoras y aluminio paralas bicicletas.

Combustibles fsiles. El gas natural, el petrleo crudo y el carbn son todos ejem-plos de materiales a base de hidrocarburos producidos por la descomposicin de orga-nismos que alguna vez tuvieron vida. Adems de proporcionar calor, luz y electricidad,

Seccin 1.2 Materias primas 3

Saba usted?

Las vacunas se inyectan anios saludables y la se-guridad del producto de-be ser incuestionable.Para producir las vacu-nas, partculas virales secultivan en las clulas yms tarde son inactivadaspara prevenir infeccionesal tiempo en que estimu-lan una respuesta inmune.En el proceso de desarro-llo de una vacuna contrala hepatitis, Merck deci-di producir una especiedel virus de la hepatitis Aque se desarrolla a 32 Cpero no a 37 C, la tem-peratura normal del cuer-po. A 32 C, la velocidaddel crecimiento celular yde la reproduccin viraldisminuye. Esto redundaen un incremento en loscostos de produccin. Sinembargo, las bajas tempe-raturas del procesamientoreducen la probabilidadde que los obreros en lasinstalaciones industrialessean infectados por el vi-rus vivo, antes de la de-sactivacin. O, si algunaspartculas del virus esca-pan a la desactivacin, esmenos posible que el re-ceptor de la vacuna resul-te infectado. Por lo tanto,el objetivo de seguridaddel producto es ms im-portante que el de la eco-noma del proceso.

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los combustibles fsiles sirven como materia prima para efectuar la sntesis de produc-tos basados en el carbono, tal como los polmeros para el plstico de las botellas dese-chables y los lentes de contacto, fibras para vestir y muebles, medicinas y pesticidas.

Productos agrcolas y forestales. Las plantas vivas se basan en el carbono, perotambin contienen una cantidad significativa de oxgeno fijo y (a veces) nitrgeno. Elalimento de los humanos, por supuesto, se produce a partir de estas materias primas.Otros productos derivados de las materias primas agrcolas incluyen el papel, fibras na-turales como lana o algodn, caucho natural y medicamentos. Se ha presentado un cre-ciente inters en el uso de materiales agrcolas (tambin llamados biomasa) comomateria prima para la produccin de compuestos qumicos con contenido de carbono,por lo que la gran dependencia de los combustibles fsiles no renovables se reduce.

Muchas y diferentes clases de compaas son procesadores qumicos. Por ejemplo(figura 1.3):

Una compaa petrolera extrae petrleo crudo de depsitos subterrneos. Una compaa que refina petrleo procesa el crudo para obtener benceno.

4 Captulo 1 Transformacin de los recursos terrestres en productos tiles

EN SU PRIMERINTENTO? HAY TESOROS

POR TODAS PARTES!

POR QU ESTEXCAVANDO UNAGUJERO?

ESTOY BUSCANDOUN TESORO

ENTERRADO!

Y QU HAENCONTRADO?

UNAS PIEDRAS SUCIAS,UNA RAZ RARA Y ALGUNAS LARVAS

REPUGNANTES.

Figura 1.2 Dibujos animados de Calvin & Hobbes Hay tesoros por todas partes.Calvin and Hobbes 1995 Watterson. Distribuido por UNIVERSAL PRESS SYNDICATE. Reimpreso con autorizacin.Todos los derechos reservados.

Exploracin yproduccinpetroleras

Petrleocrudo

Refinerade petrleo Benceno

Fabricantesde plsticos

Ventanas para aviones

Lentes

Biberones

Cascos para ciclistas

Policarbonato

Compuestosqumicosbsicos

FenolCompuestosqumicos deespecialidad

Plsticosy polmeros

Bisfenol A

Figura 1.3 Son necesarias numerosas compaas y procesos para convertir una materia prima como el petrleo cru-do en productos como cascos para ciclistas. Compaas y gobiernos estn intentando cerrar el ciclo, al recuperar los pro-ductos de consumo al final de su vida til y reprocesar los materiales para convertirlos en nuevos productos.

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Una compaa de compuestos qumicos bsicos transforma por medio de reaccio-nes el benceno en fenol.

Una compaa de compuestos qumicos finos o de especialidad convierte el fenolen bisfenol A.

Una compaa de plsticos polimeriza el bisfenol A en policarbonato. Los fabricantes utilizan el policarbonato para fabricar ventanas de avin, vidrio a

prueba de balas, lentes, biberones, discos compactos y cascos para futbolistas. Los consumidores compran lentes, biberones y discos compactos, los utilizan y

desechan en rellenos sanitarios o en depsitos para reciclado.

Un compuesto qumico modesto puede servir como materia prima para muchosproductos. Por ejemplo, la sal de mesa comn, NaCl, es la base para el gran negociodel cloro-lcali, una de las tres industrias qumicas inorgnicas ms importantes (lasotras dos son las industrias del amoniaco y del cido sulfrico). La industria del clo-ro-lcali incluye tres productos qumicos bsicos: sosa comercial (carbonato de sodio,Na2CO3), sosa custica (hidrxido de sodio, NaOH) y cloro (Cl2) (figura 1.4).

Los productos con el carbono como base (del acetaminofn al cido zoledrnico)se sintetizan principalmente a partir de combustibles fsiles no renovables. Se ha sus-citado un inters creciente en desarrollar nuevos procesos y productos qumicos basa-dos en materias primas renovables: maz, recortes de csped, incluso basura urbana.Por ejemplo, DuPont y sus socios desarrollan nuevos procesos en los cuales la gluco-sa derivada del maz se fermenta, mediante bacterias diseadas, para la elaboracin del1,3 propanodiol, el cual se purifica y reacciona para formar un polmero llamado 3GTque es hilado en un tejido vendido como Sorona (figura 1.5). Muchos desafos espe-ran solucin en el avance hacia el desarrollo de nuevos procesos qumicos para con-vertir materias primas renovables en productos tiles.

Seccin 1.2 Materias primas 5

Cloruro de sodio

Cloro Hidrxidode sodio

Carbonatode sodio

Bicarbonatode sodio

Piedra caliza

Pulpa y papelDisolventesPlsticosPesticidasAnticongelanteRefrigerantes

JabnTintesFibrasPapelMedicamentosCaucho

JabnVidrioMedicamentosPapelAblandamiento

de aguaCermicas

Bicarbonatode sodio

Polvo parahornear

Bebidascarbonatadas

Extintoresde fuego

Figura 1.4 Importantes compuestos qumicos bsicos, as como productos qumicos co-munes para el hogar, se elaboran a partir de cloruro de sodio y piedra caliza, como parte de laindustria del cloro-lcali. Adaptado de Chemical Process Industries, 4a. edicin por R. N. Sh-reve y J. A. Brink, 1977.

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1.3 Ecuaciones balanceadasde las reacciones qumicas

Las reacciones qumicas son el punto medular de la mayora de los procesos qumicos.Si A y B son compuestos que sufren una reaccin qumica para formar los productosC y D, se escribe:

En esta notacin, se est indicando que C y D simplemente son productos de una reac-cin qumica en la cual A y B son los reactivos. Como un ejemplo, en la fabricacin desilicio de calidad electrnica, el tetracloruro de silicio (SiCl4, tambin llamado tetraclo-rosilano) reacciona con el hidrgeno para obtener silicio puro y cloruro de hidrgeno:

SiCl4 H2 Si HClTal como est escrita, esta reaccin no se encuentra balanceada. Si se est interesadono slo en mostrar la identidad sino tambin la cantidad de compuestos que confor-man una reaccin qumica, es necesario escribir una ecuacin balanceada de la reac-cin qumica. En una ecuacin qumica balanceada, el nmero relativo de moles decada reactivo y producto se indica mediante los coeficientes a, b, c y d:

Una ecuacin qumica est balanceada si el nmero de tomos de cada elementodel lado izquierdo de la ecuacin es igual al nmero de tomos de ese elemento en el

aA bB cC d D

A B C D

6 Captulo 1 Transformacin de los recursos terrestres en productos tiles

Maz u otrafuente renovablede azcar

Fermentacinmediante bacteriasdiseadas

Polimerizaciny purificacin

Fibra ypolmero

1, 3 propanodiol

Figura 1.5 Se estn desarrollando nuevos procesos para elaborar productos qumicos conbase en recursos renovables, como el proceso DuPont para sintetizar fibra a partir del maz.

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lado derecho. Por ejemplo, la reaccin del tetraclorosilano con hidrgeno para elabo-rar silicio y cloruro de hidrgeno est balanceada si se escribe

SiCl4 2H2 Si 4HClComo los coeficientes son cantidades relativas en vez de absolutas, uno de los coefi-cientes puede elegirse arbitrariamente; as que se puede escribir

2SiCl4 4H2 2Si 8HClo incluso

dado que no es necesario que los coeficientes sean nmeros enteros.A continuacin se definirn los coeficientes estequiomtricos vi para cada com-

puesto qumico i, y se especificar que vi es negativo para compuestos que son reacti-vos y positivo para compuestos que son productos. Por ejemplo, en la ecuacin de lareaccin anterior,

y

Se define que

ehi nmero de tomos del elemento h en el compuesto i.

Entonces, una ecuacin qumica est estequiomtricamente balanceada con respecto alelemento h si y slo si

(1.1)

donde se indica que la sumatoria se aplica a todos los compuestos I. En el ejemplo, elelemento Cl aparece en dos compuestos, SiCl4 (eCl, SiCl4 4) y HCl (eCl, HCl 1), y laecuacin (1.1) para h Cl simplemente es

Para balancear una ecuacin qumica donde se ignoran los coeficientes estequiomtri-cos, se escribe la ecuacin (1.1) para cada elemento. Se termina con un sistema de Hecuaciones (una para cada elemento) con I variables (los coeficientes estequiomtri-cos; uno para cada compuesto).

Por ejemplo, suponga que la reaccin de inters es la oxidacin del metano (CH4)de la que resulta CO2 y agua. Escrita en una forma no balanceada la reaccin es:

CH4 O2 CO2 H2O

eCl,SiCl4nSiCl4 eCl,HClnHCl 4 1122 1 122 0

iehini 0

nHCl 2

nSiCl4 12

12 SiCl4 H2 12 Si 2HCl

Seccin 1.3 Ecuaciones balanceadas de las reacciones qumicas 7

Consejo til

Encuentre los coefi-cientes estequiom-tricos balanceandoprimero el elementoque aparece enel menor nmerode compuestos.

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Ejemplo 1.1

Hay tres elementos: carbono (C), hidrgeno (H) y oxgeno (O), y cuatro compues-tos, entonces hay tres ecuaciones que involucran cuatro coeficientes estequiomtricosque se ignoran, por lo tanto:

C:

H:

O:

Como se cuenta con cuatro incgnitas pero slo tres ecuaciones, hay muchas solucionesposibles. Para continuar, se designa de manera arbitraria uno de los coeficientes este-quiomtricos. Por ejemplo, se puede elegir como la base, y escribir . Hayahora slo tres incgnitas y se resuelve para encontrar . Laecuacin balanceada de la reaccin qumica es

(1)CH4 2O2 (1)CO2 2H2O

Ecuacin balanceada de la reaccin qumica: sntesis del cido ntrico

El cido ntrico (HNO3) es un importante cido industrial usado, entre otras cosas, en la fa-bricacin del nylon. En una de las reacciones para obtener cido ntrico, el amoniaco (NH3)y el oxgeno (O2) reaccionan para formar NO y H2O. Escriba la ecuacin qumica balan-ceada.

SolucinSe escribe la ecuacin qumica no balanceada de la siguiente manera

Se presentan tres elementos y cuatro compuestos, as que hay tres ecuaciones con cua-tro incgnitas:

N:

H:

O:

Se establecer que . Empezando con el balance de N, se resuelve para obte-

ner . A partir del balance de H, . Finalmente, con base en el balance

de O, . La ecuacin balanceada es:

Ecuaciones balanceadas de reaccin qumica: sntesis del cido adpico

El cido adpico es un intermediario usado en la fabricacin del nylon. (Este proceso seanalizar a detalle en este captulo y una vez ms en el captulo 3.) En la sntesis del ci-do adpico estn implicadas varias etapas de reaccin qumica:

Reaccin 1. El ciclohexano (C6H12) reacciona con el oxgeno (O2) para producir ci-clohexanol (C6H12O).

NH3 54 O2 NO 32 H2O

nO2 54

nH2O 32nNO 1

nNH3 1

2nO2 1nNO 1nH2O 0

3nNH3 2nH2O 0

1nNH3 1nNO 0

NH3 O2 NO H2O

nO2 2, nCO2 1, nH2O 2nCH4 1nCH4

0nCH4 2nO2 2nCO2 1nH2O 0

4nCH4 0nO2 0nCO2 2nH2O 0

1nCH4 0nO2 1nCO2 0nH2O 0

8 Captulo 1 Transformacin de los recursos terrestres en productos tiles

Examenrpido 1.1

Por qu se estable-ci anteriormenteque y no

?

En lugar de estable-cer , su-ponga que se decidihacer .

Cul sera la ecua-cin balanceada de lareaccin qumica?

nO2 1

1nCH4

nCH4 11nCH4

Ejemplo 1.2

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Reaccin 2. El ciclohexano (C6H12) reacciona con el oxgeno (O2) para producir ci-clohexanona (C6H10O).

El agua (H2O) es un subproducto de una de estas reacciones.

Reaccin 3. El ciclohexanol reacciona con el cido ntrico para producir cido ad-pico, (C6H10O4).

Reaccin 4. La ciclohexanona reacciona con el cido ntrico para producir cidoadpico (C6H10O4).

NO y H2O son subproductos de las reacciones 3 y 4.Escriba las cuatro ecuaciones qumicas balanceadas que corresponden a estas cuatro

reacciones.

Solucin

Reaccin 1. Con base en el planteamiento del problema, el agua puede ser un sub-producto de esta reaccin. Si suponemos que lo es, veamos qu suce-de. La ecuacin qumica sin balancear es

Hay tres elementos y cuatro compuestos, por lo tanto es posible de-signar un coeficiente estequiomtrico de forma arbitraria. C apareceen dos compuestos, O y H en tres cada uno, de manera que se comien-za a balancear el elemento que aparece en el menor nmero de com-puestos:

C:

Si se elige establecer uno de estos dos coeficientes estequiomtricos,se puede resolver el otro inmediatamente. Si por ejemplo,

. Entonces

Luego, se prosigue con los otros dos elementos:

Las cuales se resuelven fcilmente para producir

La ecuacin qumica balanceada resultante es

Una vez encontrados los coeficientes estequiomtricos se llega a laconclusin de que, despus de todo, el agua no es un subproducto dela reaccin 1.

C6H12 12 O2 C6H12O

nO2 12

nH2O 0

O: 2nO2 nC6H12O nH2O 2nO2 1 nH2O 0

12 1-12 12 112 2nH2O 0H: 12nC6H12 12nC6H12O 2nH2O

nC6H12 1

nC6H12O 1

6nC6H12 6nC6H12O 0

C6H12 O2 C6H12O H2O

Seccin 1.3 Ecuaciones balanceadas de las reacciones qumicas 9

Consejo til

Si una de las ecua-ciones del balancede elementos tieneslo dos coeficien-tes estequiomtri-cos, elija uno deestos coeficientesestequiomtricospara establecerle unvalor fijo.

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Reaccin 2. La reaccin no balanceada del ciclohexano con oxgeno para producirciclohexanona, con agua como un posible subproducto, es

De manera similar a la que se utiliz para la reaccin 1, se escriben tresecuaciones:

Se establece arbitrariamente que y se resuelven las ecua-ciones con el objetivo de encontrar los otros tres coeficientes estequio-mtricos. La ecuacin qumica balanceada es

Reaccin 3. En la tercera reaccin qumica, el ciclohexanol (C6H12O) y el cido n-trico (HNO3) reaccionan para formar cido adpico (C6H10O4), conxido ntrico (NO) y agua (H2O) como subproductos. La reaccin nobalanceada es

Hay cuatro elementos y cinco compuestos:

Ya sea que se comience con C o N, el balance es correcto. En el casode que , inmediatamente se resuelve el balance de C paraencontrar . Una vez que se sustituyen estos valores en lastres ecuaciones restantes se obtiene

No se puede resolver de inmediato ninguna de las ecuaciones restan-tes. Para resolver a mano se debe

1. Restar el balance de N del balance de O para eliminar :

3 2nHNO3 nH2O 0

nNO

N: nHNO3 nNO 0

O: 1 3nHNO3 4 nNO nH2O 0

H: 12 nHNO3 10 2nH2O 0

nC6H12O4 1nC6H12O 1

N: nHNO3 nNO 0

O: nC6H12O 3nHNO3 4nC6H10O4 nNO nH2O 0

H: 12nC6H12O nHNO3 10nC6H10O4 2nH2O 0

C: 6nC6H12O 6nC6H10O4 0

C6H12O HNO3 C6H10O4 NO H2O

C6H12 O2 C6H10O H2O

nC6H12 1

O: 2nO2 nC6H10O nH2O 0

H: 12nC6H12 10nC6H10O 2nH2O 0

C: 6nC6H12 6nC6H10O 0

C6H12 O2 C6H10O H2O

10 Captulo 1 Transformacin de los recursos terrestres en productos tiles

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2. Restar el balance de H de 2 esta ecuacin para eliminar :

3. Se resuelve para y se regresa para encontrar los dems coefi-cientes estequiomtricos:

La ecuacin qumica balanceada es:

Reaccin 4. La ecuacin qumica balanceada es (los detalles se le dejan a usted)

Para aprender a balancear ecuaciones qumicas mediante matrices, remtase al apndi-ce A.1.

1.4 Anlisis de generacin-consumoElegir las materias primas y escribir las ecuaciones balanceadas de la reaccin qumi-ca son los primeros pasos en la sntesis de los procesos qumicos. A menudo se com-binan reacciones qumicas mltiples en una ruta de reaccin a fin de obtener la mayorcantidad de producto minimizando la materia prima utilizada (y su costo), as comolos subproductos generados. El anlisis de generacin-consumo es un mtodo siste-mtico para sintetizar rutas de reaccin que impliquen reacciones qumicas mltiplesteniendo en mente las propuestas. Este anlisis permite calcular los moles de materiasprimas consumidos mediante los cuales se genera una cantidad determinada de pro-ducto, y los moles de subproductos generados por mol de producto.

Suponga que se tienen K reacciones que involucran a I compuestos. Se escribe

vik coeficiente estequiomtrico del compuesto i en la reaccin k

Para llevar a cabo un anlisis de generacin-consumo

1. Se escriben las ecuaciones qumicas balanceadas para todas las K reacciones.2. Se listan todos los I compuestos (reactivos y productos) en una columna.3. Para cada reaccin k, se escribe vik asociado con cada compuesto en una columna. Ha-

br K columnas, una para cada reaccin.

C6H10O 2HNO3 C6H10O4 2NO H2O

C6H12O 83 HNO3 C6H10O4 83 NO 73 H2O

nH2O 83

nNO 83

nHNO3 - 83

nHNO3

8 3nHNO3 0

nH2O

Seccin 1.4 Anlisis de generacin-consumo 11

Examenrpido 1.2

En la ecuacin qu-mica balanceada parala reaccin 3 delejemplo 1.2, apare-cen coeficientes noenteros. Vuelva a es-cribir la ecuacin,usando slo coefi-cientes enteros.

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4. Se totaliza vik en cada fila, que corresponde a cada compuesto i, para obtener el coefi-ciente estequiomtrico neto:

donde la sumatoria se realiza de acuerdo con todas las K reacciones. Esta suma es lageneracin o consumo neto de ese compuesto. Los compuestos que tienen sumas ne-gativas son materias primas, que indican el consumo neto. Los compuestos que tienensumas positivas son productos e indican la generacin neta. Los compuestos que tie-nen sumas iguales a cero son intermediarios, e indican que no hay generacin o con-sumo netos.

5. Si lo desea, ajuste la generacin o el consumo neto de los compuestos encontrandofactores multiplicativos xk para reacciones que involucran a esos compuestos. Porejemplo, si se desea tener generacin o consumo neto cero del compuesto i, se encuen-tra xk tal que

(1.2)

Por qu es posible realizar el paso 5? Porque los coeficientes estequiomtricosproducen cantidades relativas, o proporciones, de reactivos y productos, no cantidadesabsolutas. Si se multiplica una ecuacin qumica balanceada por un factor comn, laecuacin an estar balanceada.

Por qu se debe hacer el paso 5? Hay muchas razones; por ejemplo, es posiblequerer evitar el consumo neto de un compuesto caro o la generacin neta de un sub-producto txico o peligroso.

Nota: no siempre es posible encontrar la xk que satisfaga la ecuacin (1.2). En es-te caso, quiz sea necesario buscar reacciones qumicas adicionales o diferentes paralograr las metas fijadas.

El anlisis de generacin-consumo se ilustra en los prximos dos ejemplos.

Anlisis de generacin-consumo: el proceso LeBlanc

En el proceso LeBlanc, la sal (NaCl) y el cido sulfrico (H2SO4) son calentados en loteso cargas para producir sulfato de sodio (Na2SO4) y cido clorhdrico (HCl). La ecuacinqumica balanceada es

(R1)

El sulfato de sodio se cuece en hornos con carbn (C) y piedra caliza (CaCO3) para produ-cir una ceniza negra. El carbonato de sodio (Na2CO3) se separa de la ceniza negra conagua, y lo que resta es el sulfuro de calcio (CaS). Estas reacciones son

(R2)

(R3)

Cuntos moles de reactivos se consumen por mol de carbonato de sodio genera-do? Cuntos moles de subproductos se generan por mol de producto generado?

Na2S CaCO3 Na2CO3 CaSNa2SO4 2C Na2S 2CO2

2NaCl H2SO4 Na2SO4 2HCl

12 Captulo 1 Transformacin de los recursos terrestres en productos tiles

Ejemplo 1.3

ni,netotoda

reaccin k

nik

ni,netotoda

reaccin k

xknik 0

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SolucinHay tres reacciones que involucran 10 compuestos, as I 10 y K 3. Las reacciones yaestn balanceadas. Se listan los compuestos en la primera columna, y se escriben los coe-ficientes estequiomtricos para cada reaccin en las tres columnas siguientes:

Seccin 1.4 Anlisis de generacin-consumo 13

Compuesto R1 R2 R3

NaCl 2

H2SO4 1

Na2SO4 1 1

HCl 2

C 2

Na2S 1 1

CO2 2

CaCO3 1

Na2CO3 1

CaS 1

ni3ni2ni1

Despus, la generacin o el consumo neto se calcula mediante la suma de los coeficientesen cada fila (tabla 1.1). Los nmeros negativos en la columna de netos indican el consumoneto de ese compuesto; los nmeros positivos indican la generacin neta.

La columna de netos de la tabla 1.1 seala que, para cada mol de producto deseadogenerado (Na2CO3), se consumen 2 moles de NaCl, 1 mol de H2SO4, 2 moles de C, y 1 molde CaCO3. Tambin se generan algunos productos residuales: 2 moles de HCl, 2 moles deCO2 y 1 mol de CaS. Es posible escribir esta ecuacin de manera concisa como una reac-cin qumica neta:

El proceso LeBlanc genera el producto deseado, carbonato de sodio, a partir dematerias primas econmicas y fcilmente disponibles. Sin embargo, se generan 5 mo-les de subproductos residuales por cada mol de producto deseado. Es posible sinteti-zar un mejor proceso mediante diferentes materias primas, o mediante la combinacinde diferentes reacciones? En el ejemplo 1.4, se utilizar un anlisis de generacin-con-sumo para mostrar el caso de un proceso desarrollado por Ernest Solvay dirigido haciaestos intereses. Al final de este captulo, en la seccin titulada Historia de la qumi-ca, se describen ms a fondo las historias de LeBlanc y Solvay, y se explica cmo es-t relacionada la fabricacin del carbonato de sodio con la Revolucin Francesa.

2NaCl H2SO4 2 C CaCO3 2HCl 2CO2 Na2CO3 CaS

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Anlisis de generacin-consumo: el proceso Solvay

La piedra caliza (CaCO3) se descompone en cal (CaO), y la cal reacciona con agua paraformar lechada de cal, Ca(OH)2

(R1)

(R2)

La lechada de cal reacciona con cloruro de amonio para formar amoniaco y cloruro decalcio:

(R3)

El amoniaco disuelto en agua forma hidrxido de amonio que reacciona con CO2 para for-mar carbonato de amonio y luego bicarbonato de amonio:

(R4)

(R5)

(R6)

El bicarbonato de amonio reacciona con cloruro de sodio para producir bicarbonato de so-dio y genera ms cloruro de amonio:

(R7)NH4HCO3 NaCl NH4Cl NaHCO3

1NH422CO3 CO2 H2O 2NH4HCO32NH4OH CO2 1NH422CO3 H2O

NH3 H2O NH4OH

Ca 1OH22 2NH4Cl 2NH3 CaCl2 2H2O

CaO H2O Ca 1OH22CaCO3 CaO CO2

14 Captulo 1 Transformacin de los recursos terrestres en productos tiles

Tabla 1.1 Anlisis de generacin-consumodel proceso LeBlanc

Compuesto R1 R2 R3 Neto

NaCl 2 2

H2SO4 1 1

Na2SO4 1 1 0

HCl 2 2

C 2 2

Na2S 1 1 0

CO2 2 2

CaCO3 1 1

Na2CO3 1 1

CaS 1 1

ni, net nikni3ni2ni1 ni,neto

Ejemplo 1.4

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Por ltimo, el bicarbonato de sodio (NaHCO3, polvo para hornear) se descompone en elproducto deseado, carbonato de sodio, liberando dixido de carbono y agua como subpro-ductos:

(R8)

Es posible utilizar estas reacciones a fin de llegar a un proceso para la obtencin de car-bonato de sodio que utilice como materias primas exclusivamente piedra caliza y sal, y quegenere una prdida menor que el proceso de LeBlanc?

SolucinEn estas 8 reacciones participan 14 compuestos diferentes. El anlisis de generacin-consu-mo de la tabla 1.2a se utilizar para evaluar este conjunto de reacciones qumicas:

2NaHCO3 Na2CO3 CO2 H2O

Seccin 1.4 Anlisis de generacin-consumo 15

Tabla 1.2a Anlisis de generacin-consumo del proceso Solvay(primera prueba)

Compuesto R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Neto

CaCO3 1 1

CaO 1 1 0

CO2 1 1 1 1 0

H2O 1 2 1 1 1 1 1

Ca(OH)2 1 1 0

NH4Cl 2 1 1

NH3 2 1 1

NH4OH 1 2 1

(NH4) 2CO3 1 1 0

NH4HCO3 2 1 1

NaCl 1 1

NaHCO3 1 2 1

CaCl2 1 1

Na2CO3 1 1

ni, net nikni8ni7ni6ni5ni4ni3ni2ni1

Se utiliz 1 mol de CaCO3 y 1 mol de NaCl para crear 1 mol de Na2CO3 (el productodeseado), pero tambin se estn consumiendo o generando muchos otros compuestos qu-micos. Es posible sintetizar una ruta de reaccin sin el consumo neto de cualquier mate-ria prima diferente al CaCO3 y NaCl, sin la generacin o consumo neto de compuestos concontenido de amoniaco? En otras palabras, es posible encontrar factores multiplicativosxk de tal manera que el registro en la columna de Neto sea igual a cero para NH4Cl, NH3,

ni,neto

Mur01.qxd 1/22/07 6:42 PM Page 15

NH4OH, (NH4)2CO3, NH4HCO3 y NaHCO3? Cuando se aplica la ecuacin (1.2) a estos seiscompuestos se obtiene:

NH4Cl:

NH3:

NH4OH:

(NH4)2CO3:

NH4HCO3:

NaHCO3:

Una solucin que satisface todas estas restricciones es

Si se multiplican por 2 los coeficientes estequiomtricos para las reacciones (R4) y (R7)(tabla 1.2b) resulta:

x4 x7 2

x3 x5 x6 x8 1

x7 2x8 0

2x6 x7 0

x5 x6 0

x4 2x5 0

2x3 x4 0

2x3 x7 0

16 Captulo 1 Transformacin de los recursos terrestres en productos tiles

Tabla 1.2b Anlisis de generacin-consumodel proceso Solvay (segunda prueba)*

Compuesto R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Neto

CaCO3 1 1

CaO 1 1 0

CO2 1 1 1 1 0

H2O 1 2 2 1 1 1 0

Ca(OH)2 1 1 0

NH4Cl 2 2 0

NH3 2 2 0

NH4OH 2 2 0