CONTROL DE PROCESOS DE

REACCIN

BIBLIOGRAFIA
-Principios bsicos de los procesos qumicos (Felder &
Rousseau)
-Principios bsicos y clculos en Ing. Qumica
(Himmelblau)
-Manual del Ingeniero Qumico (Perry & Chilton)
-Ingeniera de las reacciones Qumicas (Levenspiel)
-

Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

CLASIFICACION DE PROCESOS
QUIMICOS

Intermitentes o de lotes (batch): Se

carga la alimentacin a un sistema (reactor,
tanque) al inicio del proceso, eliminndose
los productos de una sola vez algn tiempo
despus.
Ejemplo: Agregar reactivos a un tanque y
eliminar los productos y reactivos no
consumidos algn tiempo despus cuando el
sistema ha alcanzado el equilibrio.
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

CLASIFICACION DE PROCESOS
QUIMICOS

Proceso Continuo : Las entradas y salidas

fluyen continuamente durante todo el tiempo
que permanezca el proceso en
funcionamiento.
Ejemplo: Bombear una mezcla de lquidos a
una torre de destilacin y eliminar
uniformemente corrientes de lquido y vapor
desde los extremos inferior y superior de la
torre.
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

CLASIFICACION DE PROCESOS
QUIMICOS

Proceso Semi-intermitente: Las entradas

son casi instantneas mientras que las
salidas son continuas.
Ejemplo: Permitir que el contenido de un
recipiente que contiene gas a alta presin
salga a la atmsfera.
Mezclar lentamente varios lquidos dentro de
un tanque del cual nada se est extrayendo.
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

CLASIFICACION DE PROCESOS
QUIMICOS

Proceso Semi-intermitente : Las entradas

son casi instantneas mientras que las
salidas son continuas.
Ejemplo: Permitir que el contenido de un
recipiente que contiene gas a alta presin
salga a la atmsfera.
Mezclar lentamente varios lquidos dentro de
un tanque del cual nada se est extrayendo.
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

CLASIFICACION DE PROCESOS
QUIMICOS

REGIMEN PERMANENTE : Los valores de

todas las variables de proceso (temperatura,
presiones, volmenes, niveles, flujos) no
sufren modificaciones a lo largo del tiempo, a
excepcin de posibles pequeas fluctuaciones
alrededor de valores medio constantes.

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CLASIFICACION DE PROCESOS
QUIMICOS

REGIMEN TRANSIENTE O TRANSITORIA:

Alguna de las variables de proceso
(temperatura, presiones, volmenes, niveles,
flujos) cambia su valor con el tiempo.
Por su naturaleza, los procesos intermitentes
o semi-intermitentes son operaciones en
rgimen transientes mientras que los
procesos continuos pueden ser ya sea de
rgimen transitorio o permanente.
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

CLASIFICACION DE PROCESOS
QUIMICOS

EJEMPLOS:
1. Se llena un globo con aire a un flujo
msico de 2 gramos / minuto.
2. Se saca una bolsa de leche de la nevera y
se deja sobre la mesa de cocina
3. Hervir el agua en una olla abierta en la
cocina.

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CLASIFICACION DE PROCESOS
QUIMICOS
EJEMPLOS:
4. Se alimenta CO y Vapor de agua a un reactor
tubular a un flujo estable, los cuales reaccionan
para formar CO2 y H2(g). Los productos y reactivos
no consumidos se eliminan por otro extremo. El
reactor contiene aire cuando inicia el proceso. La
temperatura del reactor es constante y la
composicin y flujo de la corriente de entrada de
reactivos tambin resulta independiente del
tiempo; clasificar el proceso
a)
Inicialmente.
b)
Luego de haber transcurrido un largo periodo de
tiempo.

Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

BALANCES

ECUACION GENERAL DE BALANCE:

Entrada+GeneracinSalidaConsumo = Acumulacin.
(entra a
Producido Sale a
Consumido Acum.
Travs de dentro del travs de dentro del dentro
Los lmites sistema
los lmites sistema
del
Del sistema)
sist.
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BALANCES

ECUACION GENERAL DE BALANCE:

La masa ni se crea ni se destruye, slo se transforma
(no aplica a reacciones nucleares)

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BALANCES

ECUACION GENERAL DE BALANCE:

Cada ao llegan 50000 personas a una ciudad mientras
que la abandonan 60000. Nacen 22000 y mueren
19000. Formule un balance de la poblacin de dicha
ciudad. Use las unidades correspondientes.
R/ta: 50000+22000-60000-19000= -7000

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BALANCES

TIPOS DE BALANCE:
A)
Balances diferenciales: Indican qu sucede en un sistema en un
instante dado. Cada trmino de la ecuacin resulta en una
velocidad. Aplica a procesos continuos.
B)
Balances integrales: Se describe qu ocurre entre 2 instantes. Cada
trmino de la ecuacin resulta en una cantidad de la substancia
medida. Aplica a procesos intermitentes.
Los trminos de generacin y consumo de una ecuacin
de balance resultan nulos si la cantidad sobre la cual se
efecta el balance no es un reactivo ni un producto en
Reaccin.

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BALANCES
Balances sobre procesos continuos en rgimen
permanente.
El termino acumulacin debe ser nulo, por qu?
La ecuacin se simplifica a:
Entrada + Generacin = Salida + Consumo.

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BALANCES
Balances sobre procesos continuos en rgimen
permanente.
Ejemplo:
Se separan por destilacin en dos fracciones, 1000
Kg/h de una mezcla de benceno/tolueno que contiene
50% de benceno en masa. El flujo msico de benceno
en la corriente superior es de 450 kg/h y de 475 Kg/h
de tolueno en la corriente inferior.
La operacin es en rgimen permanente. Formule balance para el
benceno y el tolueno con el fin de calcular los flujos desconocidos

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BALANCES
Balances sobre procesos continuos en rgimen
permanente.
Rta:
Hay acumulacin? Acumulacin = 0
Hay reaccin qumica? Generacin = 0

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BALANCES
Balances integrales de proceso intermitente de
mezclado.
TAREA:
Se tiene dos mezclas de metanol-agua en recipientes
separados. La primera mezcla contiene 40% en
peso de metanol, mientras que la segunda contiene
70% en peso de metanol. Si se combinan 200 gr de
la primera mezcla con 150 gr de la segunda mezcla,
cual ser la masa final de producto? Cual ser la
cantidad de metanol en la masa final del producto?
Trate de deducir una comprobacin del resultado.
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
DIAGRAMAS DE FLUJO:
Cuando uno recibe una descripcin del proceso y debe
determinar alguna variable del proceso, es esencial la
organizacin de la informacin obtenida de una forma
conveniente para los clculos subsiguientes.
La mejor forma de hacer esto es mediante la realizacin de un
diagrama de flujo del proceso, utilizando rectngulos u
otros smbolos para la representacin de las unidades de
proceso (reactores, mezcladores, torres, etc), y rectas con
flechas para representar entradas y salidas.

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
SUGERENCIAS PARA ROTULAR UN DIAGRAMA DE FLUJO:
1.
Escribir los valores y unidades de todas las variables de las
corrientes en los sitios que corresponden a las corrientes del
diagrama.
2.

Asignar smbolos algebraicos a las variables desconocidas

de las corrientes (Tales como Q kg de solucin/min, x lb m de
N2/lbm, etc) y escribir los nombres de estas variables y sus
unidades asociadas sobre el diagrama.

Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
BALANCE DE UN PROCESO.
1.
El nmero mximo de ecuaciones linealmente
independientes que pueden formularse a travs de balances
en un sistema sin reaccin qumica equivale al nmero de
especies qumicas en las corrientes de entrada y salida.
2.
Formular primero aquellos balances que involucran el menor
nmero de incgnitas.

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
DELINEACIN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE
BALANCES DE MASA.
1.
Representar el problema en un diagrama de flujo y rotularlo
con todos los valores de las variables conocidas.
2.
Elegir como base de clculo una cantidad o flujo de una de
las corrientes de proceso.
3.
Rotular las variables desconocidas en el diagrama
4.
Convertir volmenes o flujos volumtricos conocidos a
cantidades msicas o molares, empleando densidades
tabuladas o leyes de los gases.
5.
Si el problema mezcla unidades msicas y molares en una
corriente, convertir todas las cantidades a una base u otra
(Usando el peso molecular de la sustancia)
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
DELINEACIN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE
BALANCES DE MASA (Cont).
6. Si en el texto del problema se da alguna informacin que no
se haya empleado en la rotulacin del diagrama de flujo,
traducirla a ecuaciones en las variables definidas en el
punto 3.
7. Formular ecuaciones de balance de masa. Formular los
balances siguiendo un orden tal que aquellos que involucran
el menor nmero de incgnitas aparezcan en primer
trmino.
8. Resolver las ecuaciones formuladas en las etapas 6 y 7 a fin
de determinar las incgnitas. Cuando se ha calculado el
valor de una incgnita colocar el mismo inmediatamente en
el diagrama de flujo
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
DELINEACIN DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CALCULO DE
BALANCES DE MASA (Cont).
9. Si en el enunciado del problema se daba el valor de una
cantidad de corriente o flujo Qg, y se emple otro valor Qc
como base o se calcul para esta corriente, corregir la
escala del proceso balanceado mediante el cociente Qg/Qc a
fin de obtener el resultado final.

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
EJERCICIOS.
1. Se alimentan 100 lb por minuto de una mezcla que contiene
60% de aceite y 40% de agua en masa a un sedimentador
que opera a rgimen permanente. Del sedimentador salen
dos corrientes de producto: La superior contiene aceite
puro, mientras que la inferior contiene 90% de agua en
masa. Formular balances diferenciales para el agua y para
la masa total a fin de calcular los flujos de las dos corrientes
de producto.

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
EJERCICIOS.
2.Una mezcla lquida de SLS y agua contiene 50% de SLS en
peso. Se vaporiza una porcin de la mezcla obtenindose un
vapor que contiene SLS en un 60%; el resto del lquido
contiene 37,5% de SLS en peso.
Suponer que el proceso ocurre en forma continua y en rgimen
permanente, con un flujo de alimentacin de 100 kg/h.
Formular y resolver balances diferenciales sobre la masa
total y sobre el SLS a fin de determinar los flujos de vapor y
de lquido en la salida.
Si el proceso se lleva a cabo en un recipiente cerrado, el cual
contiene inicialmente 100 Kg de la mezcla de lquidos,
formular y resolver balances integrales sobre la masa total y
el SLS para determinar
las cantidades de vapor y lquido.
Control de procesos de Reaccin de acuerdo a las variables implicadas

FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
EJERCICIOS.
3. Se requieren 1250 Kg de una solucin que contiene 12% en
peso de etanol en agua. Se cuenta con dos tanques de
almacenamiento, el primero de los cuales contiene 5% de
etanol en agua, mientras que el segundo contiene 25% de
etanol en agua. Cuanto habra de utilizarse de cada una de
las dos soluciones?
4. Las fresas contienen alrededor de 15% de slidos y 85% de
agua. Para fabricar mermeladas de fresa, se mezclan fresas
trituradas y azcar en una proporcin de 45:55,
calentndose la mezcla para evaporar agua hasta que el
residuo contenga una tercera parte de agua. Cuantas libras
de fresas se requieren para fabricar una libra de mermelada?

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
EJERCICIOS.
5. Una mezcla de pinturas contiene 25% de un pigmento y el
resto de agua; se vende a US$6,0/Kg mientras que una
mezcla que contiene 10% de pigmento se vende a
US$3,5/Kg. Si un mayorista de pinturas produce una mezcla
que contiene 15% de pigmento, cual debera ser el valor de
la misma (US$/Kg a fin de obtener una utilidad del 10%?
6. Fluyen agua liquida y aire a un humidificador, en el cual el
agua se evapora por completo. El aire entrante contiene 1%
mol de agua (v), 20,8% de O2 y el resto de N2, mientras
que el aire humidificado contiene 10% mol de agua. Calcular
el flujo volumtrico (pies3/min) de lquido requerido a fin de
humidificar 200 lb-mol/min
de aire entrante.
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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
4. BALANCES EN PROCESOS DE UNIDADES MULTIPLES.
Qu es un sistema:?
Es cualquier porcin de un proceso que uno decide considerar:
Puede tratarse de un proceso entero, una combinacin
interconectada de algunas unidades de proceso, una nica
unidad, o un punto en el cual se encuentran dos o ms
corrientes

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
4. BALANCES EN PROCESOS DE UNIDADES MULTIPLES.
Se definen trazando un rectngulo alrededor de la porcin del
proceso en el diagrama de flujo, y considerando como
entradas y salidas a todas aquellas corrientes que crucen el
lmite imaginario.
Cuando se eligen los subsistemas sobre los cuales se habrn de
formular los balances, es posible simplificar los clculos
trazando lmites que intersectan corrientes que contengan
el menor nmero de variables desconocidas

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
5. RECIRCULACIN Y DERIVACIN.
s
Reactor

Separador

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DE MASA
5. RECIRCULACIN Y DERIVACIN.
4500 Kg/h de una solucin que contiene 1/3 de K2CrO4 w/w, se une a
una corriente de recirculacin que contiene 36,36% de K2CrO4
w/w, y la corriente combinada se alimenta a un evaporador. La
corriente concentrada que abandona el evaporador contiene 49,4%
de K2CrO4; se alimenta esta corriente a un cristalizador donde se
enfra (precipitando cristales de K2CrO4) y luego se filtra.La torta
obtenida consiste en cristales de K2CrO4 y estos forman el 95% de
la masa total de la torta de filtrado. La solucin (sin cristales)
resultante del filtrado, contiene 36,36% de K2CrO4 w/w y parte de
ella sale del proceso y parte de ella es la corriente de recirculacin.
Calcular el peso del agua eliminada en el evaporador, la velocidad de
produccin de cristales de K2CrO4 y la proporcin y los flujos que
deben manejar el evaporador y cristalizador.
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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
5. RECIRCULACIN Y DERIVACIN.
SOLUCIN:
A)
Ps = 0,05 (Pc + Ps)
B)
Balance global para K (Cromato)
C)
Balance msico total
D)
Balance msico sobre el cristalizador
E)
Balance de agua sobre el cristalizador

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
6. BALANCES SOBRE SISTEMAS CON REACCIN QUIMICA
En balances de masa con reaccin qumica se debe tener en
cuenta lo siguiente:
La Entrada no es igual a la salida. Incluye generacin o
consumo
Se debe tener en cuenta la estequiometra de la reaccin
antes de proceder con la formulacin del balance.
Importante saber cual o cuales son los reactivos limitantes
y los reactivos en exceso.

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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
6.1 ESTEQUIOMETRA
Es la teora de las proporciones en las que se combian entre s
las especies qumicas. La ecuacin estequiomtrica de
una reaccin qumica consiste en una afirmacin acerca de
la cantidad relativa de molculas o moles de reactivos y
productos que participan en la reaccin. Ejemplo:
2 SO2 + O2 ------ 2SO3
Los nmeros que preceden a las formulas para cada especie son
los coeficientes estequiomtricos de los componentes de
la reaccin.
Una ecuacin estequiomtrica debe estar balanceada para que
sea vlida.
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6.2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO, CONVERSIN
FRACCIONARIA
Reactivo Limitante: Es aquel que desaparece primero de la
reaccin si esta se completara.
Reactivo en exceso: Son los dems.
Un reactivo es limitante si se encuentra presente en una
proporcin menor que la estequiometra respecto de los
otros reactivos. Si todos los reactivos se encuentran
presentes en proporcin estequiomtrica , entonces ninguno
es limitante (o lo son todos, depende del punto de vista en
que se mire)

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6.2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO, CONVERSIN
FRACCIONARIA
Ejemplo: 20 moles de Bromo por hora se unen a 25 moles de
hidrgeno por hora para producir Acido bromhdrico. Cual es
el reactivo limitante y en exceso? Cual es el % de exceso?

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6.2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO, CONVERSIN
FRACCIONARIA
Las reacciones qumicas no se llevan a cabo en forma
instantnea, y muy a menudo ocurren en forma lenta. Por
lo anterior, no todo los reactivos se convierten a producto,
por lo que estos (los productos) normalmente salen con
algo de reactivo y es por ello que se debe separar el
reactivo y recircular al proceso.

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6.2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO, CONVERSIN
FRACCIONARIA
Ejemplo:
Se produce AcriloNitrilo por reaccin del Propileno, amonaco y oxgeno.
C3H6 + NH3 + O2--- C3H3N + H2O
Ecuacin sin Balancear
2C3H6 + 2NH3 + 3O2--- 2C3H3N + 6H2O Ecuacin Balanceada
La alimentacin contiene 10% molar de propileno, 12% molar de
amonaco y 78% molar de aire.
a)
Cual es el reactivo limitante? En qu % se encuentran los otros en
exceso?
b)
Calcular los Kgmol de C3H3N producidos por Kgmol de NH3,
alimentados para una conversin del 30% del reactivo limitante?
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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES

DE MASA
6.2 REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO, CONVERSIN
FRACCIONARIA
Tarea:
100 Kgmol de Etileno (C2H6) se oxida para producir Oxido de etileno.
Cual es el reactivo lmite
Cual es el % de exceso del reactivo en exceso?
Si la reaccin se completa cuanto de reactivo en exceso son habr
reaccionado y cuanto C2H4O se habr formado?
Si la reaccin se lleva a cabo hasta un punto en que la conversin
fraccionaria del reactivo limitante es de 50%, Cunto de cada
reactivo y producto se encuentra presente al final?
Si la reaccin procede hasta un punto en donde quedan 60 Kgmol
de O2, Cul es la fraccin de conversin del C2H4? Y la fraccin
de conversin del O2?

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