IPQ Balance de materia procesos reactivos

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Un conjunto de evaporadores opera en forma secuencial con el objeto de eliminar la
humedad de una mezcla de sólidos en suspensión. Calcular las corrientes 3, 5 y 7 (y sus
composiciones) a fin de determinar la corriente de salida 9 y su composición, según se
muestra en la figura 3.8.

Respuesta:

Corriente 9: 20 kg/min; 5,00% sólidos, 95% agua.

3.3 Balance de materia en procesosreactivos
Cuando se lleva a cabo una reacción quimica en determinado proceso, los procedimientos
aplicados de balance de materia se complican. Además de los balances por componentes y
global que se siguen formulando para las unidades en las que no ocurren transformaciones
químicas, hay que tomar en cuenta la información concerniente a la reacción química dada
que se lleva a cabo en un reactor(i.e. la estequiometría, el reactivo limitante, la conversión
de un reactivo). Se sigue considerando sistemas en estado estacionario o muy cercanos a sus
condiciones de operación de estado estacionario.
La ecuación de balance de materia que se aplica para el reactor es la ecuación (3.3):

Entrada + Generación = Salida + Consumo.
En el capítulo 2 se estudió la estequiometría de las reaccionesquímicas, así como la
manera de efectuar cálculos de sustancias en reacciones con reactivo limitante y rendimiento
porcentual. Esta información es nuevamente relevante para los casos que se analizan en esta
parte. Además, es preciso definir nuevos conceptos de gran utilidad al momento de resolver
balances de materia en procesos reactivos. Para ello, considere el ejemplo del diagrama de
flujode la figura (3.10).

F = 75 mol A/min

E = 100 mol A/min

Reactor

25 mol A/min

Separa-

75 mol B/min

dor

P = 75 mol B/min

R = 25 mol A/min

Figura 3.10: Diagrama de flujo de un proceso reactivo con recirculación

En este proceso se pueden identificar tres unidades: el punto de mezcla o unión de
flujos, el reactor y el separador. La reacción química que se lleva a caboen el reactor es:
A  B.

La conversión total del sistema se define como:
Apuntes de Procesos Químicos para Ingeniería de Sistemas

Claudia S. Gómez Quintero

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moles de reactivo que entran al sistema - moles de reactivo que salen del sistema
 100% .
moles de reactivo que entran al sistema

(3.20)

Es decir:
% Conversión total 

75 mol A/min  0 mol A/min
100%  100%.75 molA/min

La conversión en una sola pasada (o en un paso) del proceso se define como:
moles de reactivo que entran al reactor - moles de reactivo que salen del reactor
 100% .
moles de reactivo que entran al reactor

(3.21)

En este ejemplo, sería:
% Conversión en un paso 

100 mol A/min  25 mol A/min
 100%  75%.
100 molA/min

Si la alimentación fresca (F) contiene más deuna sustancia, la conversión debe ser
expresada en base a un solo componente, que por lo general es el reactivo limitante, el
reactivo más costoso o un algún compuesto similar.
Es importante remarcar la diferencia entre la alimentación al sistema global, F,
también conocida como alimentación fresca o nueva, y la alimentación al reactor, E. La
alimentación al reactor, en el caso de sistemas conrecirculación o reflujo como el mostrado
en la figura (3.10), está compuesta de dos corrientes, F y R. Si no hay recirculación, como
en el sistema mostrado por la figura (3.11), la alimentación nueva será la misma
alimentación del reactor.
100 mol A/min

Reactor

25 mol A/min

Separa-

75 mol B/min

dor

75 mol B/min

25 mol A/min

Figura 3.11: Diagrama de flujo de un procesoreactivo sin recirculación

Véanse algunos ejemplos que permiten ilustrar el procedimiento a seguir para la
solución de este tipo de problemas de balance de materia, tanto para procesos de una unidad
(solamente un reactor) como de múltiples unidades.
Ejemplo 3.7: Se queman completamente 40,0 kgmol de metano en un horno con un 100%

de aire en exceso, tal y como se muestra en la figura...