NTG41046

PRACTICA N°5

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

P RACTI RACTI CA DE BALANCE BALAN CE DE MAT MA T E RI A Y E NER GI A N°5 N°5 B A L AN A N CE CE D E M AT A T E R I A Y E N E R G I A CO C ON RE ACCI ON QU QUI MI CA E N COMPU COMPUTADO TADORA RA 1. OBJETIVO   

Resolver mediante el uso de computadoras y Excel o paquetes de programación,  problemas de balance con reacción química química Comprender el concepto de reactivo limitante y de exceso en una reacción química. Realizar una reacción química midiendo las cantidades de reactivos introducidos al sistema y de productos formados, para diferentes cantidades de reactivo.

2. FUNDAMENTO TEORICO

La aparición de una reacción química en un proceso acarrea varias complicaciones en los  procedimientos de balance de masa. La ecuación estequiometria de la reacción impone restricciones respecto de las cantidades relativas de reactivos y productos en las corrientes de entrada y salida. Reactivo limitante y reactivo en exceso

Cuando se ha ajustado una ecuación, los coeficientes representan el número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. También representan el número de moléculas y de moles de reactivos y productos. Cuando una ecuación está ajustada, la estequiometría se emplea para saber las moles de un  producto obtenidas a partir de un número conocido de moles de un reactivo. La relación de moles entre reactivo y producto se obtiene de la ecuación ajustada. A veces se cree equivocadamente que en las reacciones se utilizan siempre las cantidades exactas de reactivos. Sin embargo, en la práctica lo normal suele ser que se use un exceso de uno o más reactivos, para conseguir que reaccione la mayor cantidad posible del reactivo menos abundante. REACTIVO LIMITANTE:

Cuando una reacción se detiene porque se acaba uno de los reactivos, a ese reactivo se le llama reactivo limitante. Aquel reactivo que se ha consumido por completo en una reacción química se le conoce con el nombre de reactivo limitante pues determina o limita la cantidad de producto formado. Reactivo limitante es aquel que se encuentra en defecto basado en la ecuación química ajustada. REACTIVO EN EXCESO:

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El reactivo que no reacciona completamente, sino que “sobra”, es el denominado reactivo en exceso.





Se define SELECTIVIDAD: Moles formados de producto deseado / Moles formados de  producto no deseado. Se define RENDIMIENTO: Moles formados de producto deseado / Moles formados sin reacciones laterales y con consumo completo de reactivo limitante Moles formados de producto deseado / Moles de reactivo alimentados Moles formados de producto deseado / Moles de reactivo consumidos en el reactor. El balance de materia tiene la forma:

SALIDA  –  ENTRADA + ACUMULACION = GENERACION HIDALGO APAZA ANGIE ARLETTE

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Rendimiento de una reacción.

Cuando se efectúa una reacción química en el laboratorio o en la industria, muy pocas veces se utilizan las cantidades exactamente estequiometrias de reactivos. Por lo general se trabaja con un exceso de un reaccionante, esperando de esta manera convertir completamente en  productos aquel reactivo o reactivos que puedan resultar más costosos o más difíciles de obtener. Rendimiento teórico.

El rendimiento teórico de una reacción se puede definir de la siguiente manera: La cantidad maxima de producto que puede obtenerse en una reaccion quimica tomando como base de cálculo el reactivo limitante. Denominándose reactivo limitante a aquel reactivo que; por su naturaleza particular se encuentra en menor proporcion equimolecular. Rendimiento real.

En toda reacción química por lo general la cantidad de producto obtenido es menor que la cantidad esperada o teórica; existen muchas razones para que la cantidad realmente obtenida sea menor a la teórica, debido a: Puede que la reacción no llegue a completarse totalmente, debido principalmente a la reversibilidad de la reacción, estableciéndose por consiguiente un equilibrio de carácter dinámico.  La posibilidad de que se efectúen reacciones secundarias.  Debido a que parte del producto obtenido se pierde en las etapas posteriores al proceso de reacción química. Así, el rendimiento de una reacción química se puede medir en RENDIMIENTO EN PORCENTAJE; definido matemáticamente de la siguiente manera: 

% 

Rendimiento 

Rendimiento

real

*100

teórico

3. MATERIALES Y REACTIVOS     

Computadora personal Hoja de cálculo Excel Información de factores de conversión Tablas de resolución de derivadas e integrales Datos de la practica N° 3

4. PROCEDIMIENTO

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PRIMER PARTE 



Preparemos una hoja de cálculo que nos sirva para poder determinar automáticamente cual es el reactivo limitante en una reacción, asimismo poder determinar cuál es el rendimiento de las reacciones en un proceso determinado, lo cual podríamos determinar de acuerdo a la velocidad de reacción y producto de solubilidad. Aplicada aquellas funciones que nos faciliten la construcción de esta hoja.

SEGUNDA PARTE 

Procederemos a resolver la práctica N°3, principalmente en lo que respecta como resolver el balance de materia para cada uno de los casos que se fabricaron. Para esto se preparara un software que nos permita para todos los casos.

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5. NORMAS DE SEGURIDAD E HIGIENE

Tener su archivo en constante grabación para evitar perdida de datos o información por una  posible colgada del computador 6. RESULTADOS Y DISCUCIONES  

Los resultados obtenidos en el laboratorio tiene errores sistemáticos, que se presenta en el rendimiento de cada sustancia. Los gastos obtenidos en el laboratorio en su mayoría son datos confiables para resolver dicha práctica.

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Uno de los problemas para desarrollar esta práctica fue el desarrollo del programa en visual Basic, ya que lo tuve que preparar en Windows XP. (y no en Windows 7)

7. CONCLUSIONES    

Determinamos las cantidades estequiometrias de los reactivos que se requieren  para producir una determinada cantidad de productos. Hemos determinado el rendimiento porcentual de una reacción química. Concluimos la preparación de los balances de materia correspondiente a cada reacción. El balance para una sustancia reactiva no es E=S ya que debe contener P y C.

8. RECOMENDACIONES  

Tener su archivo en constante grabación para evitar perdida de datos o información por una posible colgada del computador. Ordenar toda la información del laboratorio N°3, para realizar sin ningún  problema la practica en Excel.

9. CUESTIONARIO 9.1. Preparar una hoja de cálculo para balancear automáticamente reacciones químicas en un proceso de combustión completa donde se combustionan hidrocarburos de simple, doble y triple enlace hasta de 12 carbones. 9.2. Preparar una hoja de cálculo para hacer el balance de materia para el segundo caso preparado en la práctica considerando el porcentaje de rendimiento. 9.3. Preparar un programa en Visual Basic para determinar el reactivo limitante de la reacción de HCl y NaOH cuando se le suministre la composición de cada una de estas soluciones. 9.4. El benceno reacciona con cloro para formar clorobenceno y ácido clorhídrico en un proceso intermitente: 120 kg de benceno y 20% de exceso de cloro se encuentran presentes inicialmente, quedando 30 kg de benceno una vez terminada la reacción a) Cuantos kg de cloro se encuentran presentes inicialmente b) Cual es la conversión fraccionaria del benceno c) cual es la composición molar del producto.

Reacción química: C 6 H6 + Cl2 C6 H5 Cl + HCl a)  Kilogramos de Cloro inicialmente:

b)

−  ) = 154  −    120  (1 78   −  )( 71  ) = 109.34   154  (1 1   1   109.34120 = 131.21    Conversión fraccionaria del Benceno: 120−30         =     = 78 =0.75 30 78 HIDALGO APAZA ANGIE ARLETTE

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c) Composición molar del producto:

)=0.389 −  sin 30  (1− 78  )( 1−  ) 90  (1− 78  1 −   = 1.1 54 −   ) = 1.848  −    131.2   (1− 71  −     :1.848 − 1.154 = 0.694  −     ) 1.154 −  (1 1    = 1.1 54 −     ) = 1.1 54 −   1.154 − (11        : :0.385 − :0.694 − :1.154  −  :1.254 −  :3.387 −

9.5. H2SO4 + 2NaOH Na2SO4 + 2H2O a) Se mezclan 5 lb de una solución de Naoh al 73,33% y 10 lb de H2SO4 al 80% ¿Qué cantidad de NaSO4 se forma? b) Cuál es el reactivo limitante c) Cuál es el reactivo en exceso d) Porque el rendimiento de esta reacción puede ser completa

2NaOH+ HSO−>NaSO + 2HO NaOH )( 1 lb mol ) = 0.09163 lb mol NaOH 5 lb (10073.3lb lbabsorción 40 lb NaOH       = .       ó         : 2NaOH+ 1HSO−>1NaSO + 2HO Tenemos: 0.09163 lb mol   =0.0458 0.08143 lb mol HSO 0.0458