Química técnica

Compuestos. Cinética. Reacciones. Velocidad de reacción. Catalizadores. Balances de energía. Calor. Placas solares. Aplicaciones en industria

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QUÍMICA TÉCNICA

Bibliografía:

- Principios básicos de los procesos químicos. Felder R.M. y Rousseau R.W. Editorial Adisson-Wesley.

- Principios y cálculos básicos de la Ingeniería Química. Himmelblaw D. Editorial CECSA.

- Ingeniería Química. vol.I Conceptos generales. Costa Novella E. y col.

- Introducción a la Química Industrial. Vian A. Editorial Reverté.

- Problemas de balances de materia. Primo Stivalent R. y Valiente A. Editorial Alhambra.

CONCEPTOS PREVIOS

La química orgánica e inorgánica caracterizan una serie de compuestos, estudiando las reacciones que tienen lugar entre ellos. Intentar sintetizar estos compuestos sin saber si va a tener una utilidad inmediata para el hombre.

La químicofísica investiga leyes generales de comportamiento de la materia de modo que puedan aplicarse a un gran número de compuestos pero sin conceder importancia a la aplicación inmediata de dichos compuestos.

La química técnica se sustenta sobre las otras tres. A partir de estas tres bases (orgánica, inorgánica y quimicofísica) enuncia leyes basadas en principios físicos y químicos que sean de una utilidad inmediata a la química industrial. Introduce procedimientos de diseño de las diversas operaciones que tienen lugar en una planta química mediante un mayor conocimiento de los fenómenos físicos y químicos que tienen lugar en el proceso con el objetivo de provocar la realización de productos de un mayor valor económico. Mejorar técnicas de trabajo y desarrollar procesos para economizar tiempo y costos.

A nivel industrial los productos químicos se clasifican:

1.- Compuestos químicos de base:

Son sustancias que se producen directamente a partir de materias primas por simple purificación o por transformaciones muy simples realizadas a gran escala:

-Se producen en gran cantidad.

-Con características iguales para todos los fabricantes.

Como por ejemplo: H2SO4 , NH3 , cloro, etileno, pasta de celulosa...

Estos compuestos sufren una transformación:

2.- Compuestos intermedios:

El número no es excesivamente elevado. No se utilizan directamente por el consumidor. La calidad sí depende del fabricante que lo sintetice.

3.- Compuestos terminados:

Se sintetizan en industrias transformadoras. Cada fabricante le da unas características finales aunque algunos todavía no son válidos para los consumidores y sufren una adición de compuestos o una manipulación para su posterior consumo.

Vamos a estudiar una cadena de transformaciones del NH3 : la materia prima del nitrógeno es el aire y la del hidrógeno es el petróleo. A partir del amoniaco obtenemos el ácido nítrico y con este fabricamos los abonos nitrogenados.

Otra serie es la del etileno el cual se obtiene al destilar el petróleo, o a partir de la destilación del gas natural. Del etileno llegamos al óxido de etileno y al cloruro de etileno que sirve para fabricar plásticos de policloruro de vinilo (P.V.C.).

Los productos farmacéuticos proporcionan un alto rendimiento económico gracias a su gran especificidad y pequeña producción.

Ingeniería Química: objetivos principales

“Ciencia que concibe, proyecta, hace construir, hace funcionar las instalaciones donde se puedan llevar a cabo una reacción química a nivel industrial, o bien, una operación de separación inmediata”. Cathala

Pretende un cambio de escala del nivel de laboratorio a nivel industrial. Intenta dividir los procesos globales en pequeños procesos que se repiten mecánicamente dando las operaciones unitarias.

Problema

Una mezcla de óxidos de bario y calcio que pesa 20.90 gramos se trata con ácido sulfúrico para lograr los sulfatos de bario y calcio que una vez secos pesan 36.90 gramos. ¿Cuál es la composición de la mezcla de óxidos?

PM: BaO= 153 CaO= 56 BaSO4= 233 CaSO4= 136

Respuesta: BaO + 2H2SO4 BaSO4 + 2H2O

CaO + 2H2SO4 CaSO4 + 2H2O

Suponemos que la reacción es total: 100%. Las condiciones son estequiométricas, es decir, no hay exceso de compuestos, todos los reactivos se consumen.

1 mol de oxido produce 1 mol de sulfato.

Si tenemos x gramos de BaO entonces tenemos 20.9-x gramos de CaO.

moles BaO=moles BaSO4 = x/153

moles CaO=moles CaSO4 = 20.9-x /56

gramos BaSO4 = (x/153)*233

gramos CaSO4 = (20.9-x /56)*136

gramos totales = 36.90 = 233x /153 + 20.9-x /56 * 136

x=15.30 gr. de BaO 20.9-15.30= 5.60 gr. de CaO

Problema

¿Cuántos moles de P2O5 pueden formarse con 2 gramos de fósforo y 5 gramos de oxígeno?

Respuesta:

2 gr. de P; nºat-gr.= mP/PatP = 2/31 = 0.0646

5 gr. de O; nºat-gr.= mO/PatO = 5/16 = 0.313

nºat-gr.O/nºat-gr.P = 0.313/0.0646 = 5

5 átomos de oxígeno por 1 átomo de fósforo.

No es adecuada porque tiene que ser 2:5. El reactivo limitante del problema es el fósforo, que se consume totalmente.

moles de P2O5 = 0.0643/2 = 0.3215

¿cuántos moles de O2 tendríamos en exceso?

Hemos empleado para la formación de P2O5 = 5/2*0.0643 quedan libres de O = 0.313-(5/2*0.0643)

moles de O2 = (0.313-(5/2*0.0643)) / 2

Problema

Al calentar 1000 gramos de una mezcla de clorato potásico, bicarbonato potásico, carbonato potásico y cloruro potásico se producen las siguientes reacciones:

2 KClO3 2 KCl + 3 O2

2 KHCO3 K2O + 2 CO2 + H2O

K2CO3 K2O + CO2

KCl no reacciona

dando 18 gramos de agua, 132 gramos de dióxido de carbono y 40 gramos de oxígeno. Hallar la composición de la mezcla original.

Respuesta:

Calculamos el nº de moles de los productos

moles de H2O= 18/18 = 1 mol

moles de CO2 = 132/44 = 3 moles

moles de O2 = 40/32 = 1.25 moles

La información más clara la dan el agua y el oxígeno que proceden de un sólo reactivo.

1 mol de H2O procede de 2 moles de KHCO3

3 moles de CO2: como tenemos 2 moles de bicarbonato, 2 moles de dióxido de carbono proceden de 2 moles de bicarbonato, y el mol restante tiene que proceder del carbonato.

1.25 moles de O2: 2 moles KClO3 ----- 3 moles O2

x ----- 1.25 moles O2

x=1.25*2/3= 0.833 moles KClO3

PM: KHCO3(100) KClO3(122.5) K2CO3(138)

masa: KHCO3=200 gr. KClO3=102 gr. K2CO3=138 gr.

cloruro = 1000-102-200-138 =560 gr.

Problema

Tenemos 0.596 gr. de un compuesto gaseoso puro constituido por boro e hidrógeno ocupa un volumen de 484 cm3 en condiciones normales de presión y temperatura. Cuando la muestra se quema con oxígeno en exceso, todo su hidrógeno pasa a formar 1.17 gr. de agua, y todo su boro se encuentra como B2O3. Calcular el peso molecular, la fórmula empírica y molecular del hidruro de boro problema.

Respuesta:

BxHy + O2 H2O + B2O3

Como es un hidruro podemos suponer que el hidrógeno tiene valencia 1. Ajustamos la reacción:

BxHy + (3x+y)/4 O2 y/2 H2O + x/2 B2O3

18 gr. H2O ----- 2 gr. H

1.17 gr H2O ----- x gr. H x=0.130 gr H

La cantidad inicial de boro es la total menos los gramos de hidrógeno: 0.596-0.130= 0.466 gr. de B

0.466 gr. de boro reaccionan con 0.130 gr. de hidrógeno equivalente a equivalente.

nº equivalentes de boro = nº equivalentes de hidrógeno

mB/PeqB = mH/PeqH ; 0.466/(10.8/y) = 0.130/(1/1)

y=3 Solución : BH3

1 mol ---- 22400 cm3

0.596 gr. ---- 484 cm3

M= 27.6 27.6/13.8 = n = 2 B2O3

13.8 = 10.8+3

Un proceso químico se describe: partimos de materias primas (vegetal, animal, mineral) que sufren unas operaciones físicas de acondicionamiento. Después se produce una reacción química y a continuación se separan los productos de los reactivos que todavía no han reaccionado (operaciones de separación). Por último separamos los productos. También hay que tener en cuenta un factor externo muy importante que es el económico.

Operación unitaria se define como cada una de las acciones necesarias para el transporte, adecuación y/o transformación de las materias implicadas en un proceso químico. La instalación donde se lleve a cabo la operación unitaria recibe el nombre de unidad del proceso que suelen tener características muy parecidas.

Los aspectos que hay que tener en cuenta para el análisis de las operaciones unitarias:

- Flujo de materias primas, reactivos y productos en el interior del sistema. Los caminos que llevan. Las características de cómo se mueven las distintas fases del sistema.

- Como consecuencia de que existe una cesión o intercambio de materia, energía y/o cantidad de movimiento, es necesario fijar la magnitud de esta transferencia (por lo menos de uno de los tres factores). Para fijar, se emplean lo que se denominan ecuaciones de conservación de estas magnitudes:

(velocidad de entrada en el sistema de la propiedad) - (velocidad de salida en el sistema de la propiedad)