balace de materia y energia

EJEMPLO1.
BALANCE DE ENERGÍA EN UN REACTOR DE OXIDACIÓN DE METANO
Se oxida metano con aire para producir formaldehído en un reactor continuo. La combustión del metano para formar CO2 es una reacción que compite con la anterior.
CH4 (g) + O2 HCHO (g) + H2O (v)
CH4 (g) + 2O2 CO2 (g) + 2H2O (v)
El siguiente es el diagrama de flujo del proceso para la base supuesta de 100 mol dealimentación de metano al reactor.

Base de alimentación: 100 mol de CH4
Como se conocen las cantidades de los componentes de todas las corrientes, podemos proceder directamente al balance de energía. Elegimos como referencias las especies elementales que forman a reactivos y productos a 25 °C y 1 atm (estado para el cual se conocen los calores de formación) y las especies no reactivas (N2) también a 25°C y 1 atm. Enseguida se muestra la tabla de entalpias de entrada y de salida:
Sustancia
NENTRADA
(mol)
HENTRADA
(Kj/mol)
NSALIDA
(mol)
HSALIDA
(Kj/mol)
CH4
100
H1
60
H4
02
100
H2
50
H5
N2
376
H3
376
H6
HCHO


30
H7
CO2


10
H8
H2O


50
H9


Cálculo de entalpías desconocidas
En los cálculos siguientes, los valores de∆Hf se tomaron de la tabla B.1, lasfórmulas para Cp (T) de la tabla B.2, y los valores de H (T) para O2 y N2 son las entalpias específicas en relación con las especies gaseosas a 25 °C tomadas de la tabla B.8, todas ellas se encuentran en el libro PRINCIPIOS ELEMENTALES DE LOS PROCESOS QUÍMICOS de Richard M. Felder & Ronald W. Rousseau. Se desprecian los efectos de cualquier cambio de presión sobre las entalpias y no se incluyenlos detalles de los cálculos.

A medida que se calcula cada uno de estos valores, éste debe sustituirse en la tabla de entalpias de entrada y de salida. La tabla final tiene la siguiente apariencia:
Sustancia
NENTRADA
(mol)
HENTRADA
(Kj/mol)
NSALIDA
(mol)
HSALIDA
(Kj/mol)
CH4
100
-74.85
60
-69.95
02
100
2.235
50
3.758
N2
376
2.187
376
3.655
HCHO


30
-111.15
CO210
-388.6
H2O


50
-237.56

Evaluación de ∆H

∆H = -15,300 KJ
Si las especies moleculares se hubieran elegido como referencia para estos cálculos de entalpias, habría sido necesario calcular el grado de avance de cada reacción 1 y 2 para determinar la entalpia. Cuando más de una reacción ocurre en el proceso, se aconseja elegir la especie elemental como referencia para evitar estascomplicaciones.
Balance de energía
Recuerde que estamos tratando con un proceso continuo y por tanto un sistema abierto. Despreciando la energía cinética, potencial y el trabajo, el balance para el sistema abierto da
Q= ∆H = -15,300 KJ












EJEMPLO2.
BALANCE DE ENERGÍA EN UN REACTOR DE OXIDACIÓN DE METANO
La deshidrogenación del etanol para formar acetaldehído
C2H5OH (v)CH3CHO (v) + H2 (g)
Se lleva a cabo en un reactor adiabático continuo. Se alimenta vapor de etanol al reactor a 400°C y se logra una conversión de 30%. Calcule la temperatura del producto.
Base de alimentación: 100 mol de alimentación
Los balances de materia conducen a la información que se incluye en el siguiente diagrama de flujo:

Como sólo ocurre una reacción, también hubiéramospodido elegir los reactivos y productos [C2H5OH (v), CH3CHO (v), H2 (g)] o sus constituyentes elementales [C (s), O2 (v), H2 (g)] como referencias para los cálculos de entalpía. Vamos a elegir la especie molecular.
Sustancia
NENTRADA
(mol)
HENTRADA
(Kj/mol)
NSALIDA
(mol)
HSALIDA
(Kj/mol)
C2H5OH
100
H1
70
H2
CH3CHO


30
H3
H2


30
H4

El balance de energía para el sistemaabierto, despreciando los cambios de energía tanto cinética como potencial y el trabajo de flecha e igualando Q=0 para este reactor adiabático, es



Cálculo del grado de avance de una reacción
Podríamos utilizar cualquier reactivo o producto como base para calcular . Emplearemos el acetaldehído

Cálculo del calor estándar de reacción

∆H°r = 69.11 kJ/mol
Cálculo de la entalpía de...