Problemas de balance estequiométrico en procesos con reacciones químicas
1. En un determinado proceso se sucede la siguiente reacción:
2 Cr 2O3 + 3 CS2 = 2 Cr 2S3 + 3 CO2 Por cada kilogramo de Cr 2O3 se producen 291 gramos de CO2 y salen sin reaccionar 360 gramos de CS2. Determinar: a) El reactivo limitante. b) El grado de finalización. c) El porcentaje en exceso. Solución y análisis.
La reacción.
2Cr2O3 + 3CS2 → 2Cr2S3 + 3CO2 Es decir
1Kg 1Kg Cr2O Cr2O3 3 → 291g 291gCO CO2 2 Sale sin reaccionar reaccionar 360 gr de CS2 reactivo reactivo en exceso. exceso. La cual se encuentra balanceada, de acuerdo a ello se requieren 2 moles de Cr₂O₃ para producir 3 moles de CO₂ Peso molecular.
Cr2O3
152
CS2 76
gr
mol gr
mol gr Cr2S3 200 mol gr CO2 44 mol Se expresa la reacción en gramos
2Cr2 2Cr2O3 O3 + 3CS2 3CS2 ↔ 2 Cr2S Cr2S3 3 + 3CO2 3CO2 2mol 2mol ∗ 152 152
gr mol
+ 3 mo ∗ 76
gr mol
↔ 2mol ∗ 200
gr mol
+ 3mol 3mol ∗ 44 gr/m gr/mol ol
304 304 gr gr Cr2 Cr2O3 O3 + 228 228 gr gr CS2 CS2 ↔ 400 400 gr gr Cr2 Cr2S3 S3 + 132g 132grr CO2 CO2
Por cada 304 gr de Cr2O3 (Oxido de cromo) que reaccionen con 228 gr de CS2 (sulfuro de carbono), produce 132 gr CO2 (Dióxido de carbono) completando la reacción al 100%
1kg de Cr2O3 producido de CO2 CO2 =
1000 gr Cr2O3 ∗ 132 grCO2 304grCr2O3
Gramos CO2 a producir = 434.210 gr CO2 Se producen 291 gr de dióxido de carbono, la reacción no es del todo completa, el grado de finalización es:
grado de finalizacion =
moles producidas reales moles teoricas a producir
grado de finalizacion =
291grCO2 434,2grCO2
∗ 100
∗ 100 = 67,02 %
La cantidad de CS2 que reaccionan con el kg de Cr2O3 es:
gramos CS2 reaccionan =
1000 gr Cr2O3 ∗ 228 gr CS 304 grCr2O3
Cantidad gr de CS2 reaccionar = 750 gr CS2 La cantidad disponible de CS2 es
gr CS2 disponible = 750 gr + 360 gr = 1160 gr El reactivo limitante es el óxido de cromo Cr2O3
%Exceso CS2 = =
Cantidad en exceso Cantidad disponible
360grCS2 1160grCS2
∗ 100
% exceso 31,034
∗ 100
Problemas de cálculo de energía en procesos con reacciones químicas
3. El calor de formación de la glucosa (C6H12O6 ) y el ácido láctico (CH3 CHOHCOOH) es −304,60 y −165,88 kcal/mol, respectivamente. ¿Cuál es el calor de reacción a 25 °C para la formación del ácido láctico a partir de la glucosa? Solución y análisis.
C6H12O6 → 2(CH3CHOHCOOH) La reacción se define por medio de la ecuación general de entalpia
ΔH0 = ΔH0 producto – ΔH0 reactantes Es decir el calor está ligado a la diferencia de calor de los productos y reactantes. Donde:
ΔHf C6H12O6 → −304,60 ΔHfCH3CHOHCOOH → −165,88
kcal mol kcal mol
Glucosa Acido lactico.
La incognita es hallar ΔHr
C6H12O6 → 2(CH3CHOHCOOH) Reemplazando valores dentro de la ecuación ΔH0 = ΔH0 producto – ΔH0 reactantes , se tiene que
ΔHr = ΔH C6H12O6 − ΔH CH3CHOHCOOH El calor de la reacción es
ΔHr = −304,60
kcal mol
− 165,88
kcal mol
kcal ∗ −1 mol 25ºC ∗ mol
−470,48 ΔHr =
ΔHr = 18,82 kcal Balances con reacción química en procesos unitarios
Un reactor es alimentado con una mezcla de oxígeno (O2) y propano (C3H8). El oxígeno está en exceso y la conversión de la reacción es del 70%. A la salida del reactor, se determinaron analíticamente 21 moles de CO2 y 40 moles de O2. a. Cuál es la fracción de oxígeno en exceso? b. cuantos moles de propano fueron alimentados al reactor? c. Cuál es la composición molar de la corriente de salida?
C3H8 + 5O2
→
3CO2 + 4H2O
Solución y analisis
C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 1mol
5moles
3moles
4moles
Se desarrolla el ejercicio por medio de factor de conversión en base a
21moles de CO2 100 moles 40 moles H2O 100 moles
∗ 70% = 14,7 moles CO2 ∗ 70% = 28 moles H2O
14,7 moles de CO2 ∗ 40 moles de O2 21 moles CO2
= 28 moles O2
La fracción de oxígeno en exceso es 28 moles. A continuación se procede hallar las moles de propano alimentadas en el reactor.
21 molesCO2 ∗ 5moles 100 moles
=
14,7 moles 3 moles CO2
= 4,9 moles de C3H8
La composición molar a la salida:
14,7 moles de CO2 28 moles de H2O
Bibliografía.
Fonseca, V.(2009). Unidad 2. Capítulo 6 Tipos de calor. Balance de Materiales y Energía. Bogotá, Colombia: UNAD. Pg.135-158 Recuperado dehttp://hdl.handle.net/10596/9614 Pamparato, María Laura, and Sergio Begonja.(2017) Capítulo 1: Estequiometría e industria. Introducción a la Química: hidrocarburos, alimentos y procesos industriales, Editorial Maipue. ProQuest Ebook Central, pg. 17-44. recuperado de https://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2538/lib/unadsp/reader.action?ppg=42&docID=48705 95&tm=1530316054922 Quimiayudas (2013). Estequiometría: Calculos con reactivo limite y en exceso (gramos). Tomado de: https://www.youtube.com/watch?v=2xRy35Ve9cM
Quimiayudas (2014). Equilibrio Químico: Expresión de la Costante de Equilibrio. Tomado de: https://www.youtube.com/watch?v=yRywam-BAoc