5 Balance de Materia con Reaccion Quimica

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Balance de Materia y Energía Página 1 
Ingeniería Ambiental - Ingeniería Biotecnológica 
Profesor Titular: Ing. Químico Guillermo Antonio Quiñones Salazar MSc. Ingeniería de Procesos 
Clase 
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Tema: Fundamentos Teóricos del Balance de Materia 
con Reacción Química 
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Introducción y Conceptos Fundamentales en Procesos que Involucran Reacción 
Química 
 
 
Dada la naturaleza de los procesos que se ejecutan en la industria, es conveniente tratar por separado todos aquellos 
en los cuales tiene lugar un cambio químico. 
 
Ejemplo: La Combustión. 
 
 
 
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1. FUNDAMENTOS DEL BALANCE CON REACCION QUÍMICA 
 
 
En los procesos que involucran reacción química para desarrollar el balance de materia, es necesario tener en cuenta 
los siguientes puntos: 
 
 
 La ecuación que representa el proceso. 
 
 
a A + b B c C + d D 
 
 La ecuación o ecuaciones deben estar balanceadas. 
 
 Los coeficientes de las ecuaciones se denominan coeficientes estequiométricos. 
 
 Las relaciones de estos coeficientes se llaman relaciones estequiométricas. 
 
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Sobre las bases anteriores, surgen algunas definiciones muy importantes que deben considerarse en el desarrollo 
de los problemas. 
 
 
 Reactante límite. Es aquel reactante que se encuentra en menor proporción de acuerdo con los coeficientes 
estequiométricos y determina el avance de la reacción. 
 
Si el % de eficiencia es 100%, el reactante límite se consume totalmente; de lo contrario habrá que calcular el % 
de consumación del reactante límite ya que éste no se consume por completo. 
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Ejemplo 1. Se inyectan a un reactor 2 mol de N2 y 4 mol de H2 para formar NH3. Determinar cuál es el reactante límite. 
 
 
 
Solución: 
 
La reacción que tiene lugar es: 
 
N2 + 3H2 2NH3 
 
 
De la estequiometría de la reacción se observa que para 1 mol de N2 se deben tener 3 mol de H2, por lo tanto, para los 
2 mol alimentados al reactor se requieren 6 mol de H2. 
 
Sin embargo, tan sólo están presentes 4 mol de H2, lo que quiere decir que este componente limita la reacción al no 
haber la cantidad suficiente para ejecutarla. Se concluye entonces que el reactante límite es el hidrógeno. 
 
 
 Reactante en exceso. Es aquel reactante que se encuentra en mayor proporción. 
 
Para el caso de ejemplo 1, el reactante en exceso es el nitrógeno. El exceso es la masa o número de moles que 
está por encima de la cantidad estequiométrica. 
 
 
 Grado de conversión o consumación. Es la fracción o porcentaje de reactante límite que reacciona o 
desaparece en el reactor durante el proceso. 
 
Esto se puede referir a una etapa particular de la operación o con relación al alimento fresco. 
 
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%Consumación= (Reactivo límite que reacciona real / Reactivo límite alimentado puro) x100 
 
 
El reactivo límite real se calcula a partir del producto real producido y según la estequiometria de la reacción. 
 
 
 
 Grado de conversión reactivo exceso. Es la fracción o porcentaje de reactante exceso que reacciona o 
desaparece en el reactor durante el proceso. 
 
El reactivo exceso real se calcula a partir del reactivo límite alimentado puro y según la estequiometria de la 
reacción. 
 
 
 Porcentaje de exceso. Este porcentaje viene dado por la expresión: 
 
 
% de exceso = [(cantidad en exceso) / (cantidad teórica)] x 100 
 
% de exceso = [(cantidad suministrada – cantidad teórica) / cantidad teórica] x 100 
 
 
Cuando se hace el análisis del reactante límite y en exceso se asume que la reacción tiene lugar en su totalidad, es 
decir, que se extiende hasta consumir toda la masa del reactante límite quedando solo el exceso como sobrante o no 
reaccionado. 
 
 
 Cantidad teórica. Es la cantidad de reactivo necesario para reaccionar con todo el reactivo límite. 
 
 
 Alimento fresco. Es la masa de alimento que se manda a una operación sin combinarse con productos de la 
reacción o de otras reacciones. 
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 % Eficiencia = (Producto real obtenido / producto esperado teórico) x 100 
 
El producto esperado teórico se calcula a partir del reactivo límite alimentado puro y según la estequiometría de la 
reacción. 
 
En los cálculos de las operaciones con reacción química es conveniente trabajar con moles porque se basa en los 
coeficientes estequiométricos los cuales son números sencillos mientras que las masas son cantidades más grandes. 
 
También, es importante indicar que el balance es conveniente hacerlo sobre especies químicas simples más que sobre 
compuestos. 
 
Como esto conserva la masa, se tiene por lo tanto que el número de moles de un elemento que se alimenta a un 
proceso es igual al número de moles del mismo elemento que sale de él. 
 
Lo antes expuesto, no es válido para el caso de moles totales, como puede verse en el siguiente ejemplo sencillo. 
 
Ejemplo 2. La formación de agua está dada por la reacción: 
 
 
 
2H2 + O2 2H2O 
 
 
El alimento se suministra en la relación estequiométrica, por lo tanto, el balance de masa establece el siguiente 
resultado: 
 
 
Sustancia Entra Sale 
Hidrógeno H2 2 2 Constante 
Oxígeno O2 1 1 Constante 
Moles totales 3 2 Variable 
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2. BALANCE DE MATERIA EN PROCESO DE COMBUSTION 
 
 
La principal reacción química industrial es LA COMBUSTION en la cual se quiere aprovechar al 
máximo el calor producido en ella, por ser una reacción EXOTERMICA. 
 
 
Los procesos de combustión consisten en una reacción química de oxidación en la cual uno de los reactantes es 
prácticamente gratis y disponible en grandes cantidades – como el oxígeno en el aire – mientras que el otro es 
relativamente escaso y costoso en el transcurrir de los años – como el gas natural, aceites, carbón, etc. 
 
 
Los combustibles se encuentran en los tres estados de agregación y sus componentes básicos son: 
 
 
Sólidos. Los combustibles sólidos son carbones y ellos contienen carbono elemental, compuestos orgánicos complejos 
de estructura desconocida y material mineral. 
 
Estos compuestos orgánicos contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno, mientras que el material 
mineral está formado por sustancias no combustibles que forman la ceniza. Su composición se expresa en peso. 
 
Líquidos. Los combustibles líquidos son aceites pesados o livianos como productos o subproductos de la refinación 
del petróleo que contienen compuestos de estructura conocida, pero de un peso molecular superior al de los 
combustibles gaseosos, formados por carbono, hidrógeno y oxígeno en cantidades muy pequeñas este último. 
 
Su composición se expresa en porcentaje en peso. 
 
Gases. Los combustibles gaseosos pueden ser puros – naturales – o el producto o subproducto de un proceso 
industrial, los cuales están formados de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. 
 
Su composición se expresa en base molar o volumétrica. 
 
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Teóricamente, se espera que en una combustión todo el carbono presente se queme para formar CO2 mientras que el 
hidrógeno forme agua. 
 
Sin embargo, en las operaciones se presentan ineficiencias, las cuales pueden ser debidas a pérdida del material 
cargado o a combustión incompleta o parcial del combustible como, por ejemplo, quedar parte del combustible sin 
reaccionar o la oxidación parcial del carbono dando como producto el CO. 
 
Esta ineficiencia se determina mediante análisis que se explicarán más adelante. 
 
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Al hablar de la combustión teórica, es necesario hacer la definición de algunos términos especiales 
involucrados en la operación. 
 
 
 Gases de chimenea húmedos. Son todos los gases que resultan de la combustión, incluyendoel vapor de agua. 
Su composición se expresa en base molar y se le denomina también como base húmeda. 
 
 
 Gases de chimenea secos. Se refiere a los gases producidos en la combustión en base seca, es decir, sin 
incluir el vapor de agua. Se expresa en base molar y su composición se evalúa mediante un análisis ORSAT. 
 
Este análisis suministra la composición volumétrica de los gases en base seca y fue originalmente desarrollado 
para hacer una determinación rápida del contenido de CO2, CO, O2 y N2 como productos de la combustión. 
 
 
 Cálculos para el oxígeno. 
 
 
 
 
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a) Cantidad de oxígeno teórico. Es la cantidad de aire (o de oxígeno) necesario para la combustión completa. 
 
 
b) Cantidad de oxígeno requerido. Es el oxígeno que realmente se requiere para la combustión completa después 
de haber tenido en cuenta la cantidad de oxigeno aportada por el combustible. 
 
O2 requerido = O2 teórico – O2 combustible 
 
 
c) Exceso de aire (o exceso de oxígeno teórico). Es la cantidad de aire (o de oxígeno) adicional al requerido para 
efectuar la combustión completa. 
 
El objetivo de este exceso es mejorar la combustión consiguiendo que una mayor cantidad de carbono se transforme a 
CO2. 
 
% O2 exceso = [(O2 alimentado – O2 requerido) / O2 requerido] x 100 
 
O2 exceso = (O2 alimentado – O2 requerido) 
 
El exceso de oxígeno se debe calcular sobre la base exclusiva de una combustión completa, es decir, sobre la formación 
única de CO2, aún cuando durante la reacción se esté llevando a cabo con formación de CO y CO2 simultáneamente. 
 
El porcentaje de exceso de aire es idéntico al porcentaje de exceso de oxígeno. 
 
 
d) Cantidad de oxígeno alimentado. Es el total oxígeno que lleva el aire alimentado. 
 
Se tiene en cuenta que el aire seco tiene 21% molar de O2. 
 
 
 
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O2 alimentado = O2 requerido + O2 exceso 
 
O2 alimentado = O2 requerido x (1 + % O2 exceso / 100) 
 
O2 alimentado = O2 en CO2 + O2 en CO + O2 en SO2 + O2 en H2O + O2 chimenea 
 
 
 e) Cantidad de oxígeno consumido. Se denomina así a la cantidad total de oxígeno que se consume durante la 
combustión real. 
 
O2 consumido = O2 en CO2 + O2 en CO + O2 en SO2 + O2 en H2O 
 
f) Cantidad de oxígeno en gases de combustión. Es el oxígeno que no reacciona y sale junto a la mezcla de gases 
de combustión. 
 
*Para combustión incompleta (CO) o el rendimiento < 100%, el oxígeno en los gases de combustión se calcula así: 
 
O2 chimenea = O2 alimentado – O2 consumido 
 
*Para combustión completa (CO2) y el rendimiento es 100%, el oxígeno en los gases de combustión se calcula así: 
 
O2 chimenea = O2 exceso 
 
g) Cantidad de nitrógeno en el aire alimentado. Se tiene en cuenta que el aire seco tiene 79% molar de N2. 
 
Por lo que se podrá calcular a partir del aire seco o del oxígeno alimentado. 
 
 
 
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 Diagrama de la Combustión 
 
El esquema mostrado en la Figura, presenta todas las corrientes tanto de entrada como de salida en un horno de 
combustión. 
 
Figura: Combustión en un horno 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Combustible 
Sólido Líquido Gas 
 C C C 
 H H H 
 O O O 
 N N2 
 S 
Ceniza 
 H2O 
 
HORNO 
 O2 
Aire N2 
 H2O 
 CO2 
 CO 
Gases de O2 
Combustión N2 
 H2O 
 SO2 
 
Escorias 
 Cenizas 
 C 
 H 
 O 
 N 
 S 
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NOTA: Cuando el combustible es sólido, se producen unos residuos denominados escorias, las cuales están formadas 
por el material no combustible (cenizas) y compuestos que no han reaccionado, formados por los mismos componentes 
del carbón, es decir, carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno, estos dos últimos en cantidades despreciables. 
 
Los combustibles gaseosos o líquidos no contienen cenizas y, por lo tanto, no producen escorias. 
 
Como se ha expresado anteriormente, existen elementos o ligas de correlación entre corrientes, lo que permite 
relacionarlas para el desarrollo de los cálculos o balances de materia. En este caso, los elementos claves son los 
siguientes: 
 
Entre el combustible y los gases de combustión, el elemento liga es el carbono gasificado, es decir, aquel que ha 
formado CO y CO2. 
 
Entre el aire y los gases de combustión, el elemento clave es el N2 del aire, el cual es un inerte en la operación de 
combustión. 
 
Entre el combustible sólido y las escorias, el elemento clave es la ceniza. 
 
Para Recordar … 
 
1) El O2(g) del combustible es el primero que se consume en las reacciones de combustión, pero como está en poca 
cantidad debe ser suplido con el O2(g) del aire húmedo que se alimenta. El exceso de O2(g) deberá salir en los gases 
de combustión. 
2) El N2(g) no se consume, ni se produce en las reacciones de combustión normales. El N2 que sale en los gases de 
combustión se calcula por balance de materia, sumando el N2 que entra en el combustible y el N2 que entra en el aire 
húmedo. 
3) El H2O(g) que sale en los gases de combustión, se calcula por balance de materia, sumando el agua proveniente del 
combustible (si hay), el agua proveniente del aire húmedo y el agua formada en la reacción de combustión. 
4) Las cenizas (Cz) que entran en el combustible, son las mismas que salen al final de la combustión. Por lo general, 
los combustibles gaseosos no tienen Cz.