Balances de materia Balances de materia en sistemas reactivos 1

Coordinación de Ciencia y Cultura de la Alimentación.
Unidad Curricular: Principios de Ingeniería Aplicada a los Alimentos I
Prof. Mario Yovera Reyes
Unidad II: Balances de materia
Balances de materia en sistemas reactivos
1. Reacciones químicas:
Son los cambios que evidencian las transformaciones que le ocurren a determinadas
substancias que desaparecen de un sistema, llamados “reactivos”, en la que se forman, generan
o producen otras substancias con características químicas diferentes a estos llamados
“productos”. Este cambio químico se representa por la ecuación química general:
Reactivos 
 Productos

A B 
 C  D
2. Clasificación de las reacciones químicas:
Las reacciones químicas se pueden clasificar según el tipo de transformación que
experimenta la materia, desde un punto de vista elemental y general en los siguientes:
a. Combinación: Es la unión de dos o mas elementos o substancias para formar un único
compuesto. Entre estos se incluyen: a) la combinación de dos elementos para formar un
compuesto; b) la combinación de un elemento y un compuesto y c) la combinación de dos
 AB
compuestos: A  B 
S  s   O2  g  
 SO2  g 
CH 2  CH 2  g   Cl 2  g  CCl

4  Cl  CH 2  CH 2  Cl  g 
CaOs   CO2 s  
 CaCO3 s 
b. Desplazamiento: Es la unión de un elemento con un compuesto con la liberación de uno
de los elementos combinados en el mismo; se dice, el elemento ha sido desplazado por
 AC  B
otro elemento: A  BC 
2 HClac   Zns  
 ZnCl2 ac  H 2  g  
2 Nas   2 H 2 Ol  
 2 NaOHac  H 2  g  
CuSO4 ac  Zns  
 ZnSO4 ac  Cus  
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c. Descomposición: Es la formación de dos o mas substancias mas sencillas, elementales o
 A  B
no elementales, a partir de un compuesto determinado: AB 

2 H 2Ol  
2 H 2  g   O2  g  

2 KClO3 s  
2 KCl s   3O2  g  
d. Doble descomposición o metátesis: Es la relación entre dos compuestos con intercambio
de elementos y formación de dos nuevos compuestos químicamente análogos a los
reaccionantes. Entre las reacciones más comunes dentro de este tipo están las reacciones
 AD  CB
de precipitación y las reacciones de neutralización (ácido-base): AB  CD 
AgNO3 ac  NaClacs 
 NaNO3 ac  AgCls  
H 2 SO4 ac  2NaOHac 
 Na2 SO4 ac  2H 2 Ol 
3. Variables de los procesos reactivos:
a. Reactivo limitante y exceso: El reactivo limitante es el reactivo que se encuentra en
menor proporción respecto a la estequiometría de la reacción; Se dice, es el reactivo que
desaparece primero cuando se lleva a cabo completamente una reacción. El reactivo en
exceso es el que está presente en mayor proporción respecto a la estequiometría de la
reacción; Se dice, es el reactivo que queda sobrante cuando se ha terminado la reacción
b. Conversión: Es la relación que existe entre la cantidad de substancia (moles) consumidas
en la reacción entre la cantidad de substancia alimentada al proceso. La conversión esta
definida en base al reactivo limitante solamente:
Conversión 
MolesConsumidos
MolesA lim entados
%Conversión 
MolesConsumidos
100
MolesA lim entados
c. Rendimiento: Es la relación que existe entre la cantidad de substancia (moles) producidas
en la reacción entre la cantidad de substancia alimentada al proceso
Re n dim iento 
Moles Pr oducidos
MolesA lim entados
% Re n dim iento 
Moles Pr oducidos
100
MolesA lim entados
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4. Reacciones químicas comunes en alimentos:

FERMENTO

 CO2  CH 3 CH 2 OH
Reacción de fermentación: Alcoholes: C 6 H 12 O6 
2O 
Vinagre: CH 3 CH 2 OH 
 CH 3 COOH  H 2 O
BacteriumAceti
 CH 3 CH 2 COOH  CH 3 COOH  CO2  H 2 O
Láctica: CH 3 CH OH COOH 

Reacción de neutralización: R  COOH  NaOH 
 R  COONa H 2 O

r  CH 3  CH 2  COOH
Reacción de hidrogenación: CH 2  CH  COOH  H 2 Catalizado


Na2 CO3  CO2   H 2 O
Industria del pan y galletería: NaHCO3 

NaHCO3  SalesAcidas 

Sales  CO2   H 2 O *Sales ácidas: Fosfato mono cálcico
5. Balances de materia en los sistemas reactivos:
La ecuación general de balance de materia queda expresada de la siguiente forma:
E  G  S  C   n E   nG   n S   nC
Donde los términos G : generación y C : consumo representan las cantidades de materia que
aparecen y desaparecen en la reacción química. El balance de materia por componente es:
E  G  S  C   n A E   n A G   n A S   n A C
Siendo n A  y A  N
Ejemplos
 C  D ; Calcula la cantidad de sustancia
1. Dada la reacción química hipotética: A  B 
de entrada y salida y la composición a la salida del reactor si la conversión es de 60%
N 1 moles 
y A  0,8 molesA moles
y B  0,2 molesB moles
Reactor
Químico
N2 moles 
yA
yB
yC
yD
?
?
?
?
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2. En la reacción de combustión, el metano se quema con oxígeno para producir dióxido de
carbono y agua. El reactor se alimenta con una mezcla de gases cuya composición molar es:
20% de CH 4 ; 60% de O 2 y 20% de CO2 . La reacción alcanza una conversión de 90%
del reactivo limitante. Dibuja el diagrama de flujo y calcula los moles y la composición
molar del flujo de salida del reactor
3. En la producción de margarinas y grasas vegetales saturadas para aplicaciones en repostería
y otros usos, se emplea el proceso de hidrogenación de los aceites vegetales. Este proceso
consiste en adicionar hidrógeno a las ramificaciones de ácidos grasos insaturados de los
triacilglicéridos para formar triacilglicéridos de ácidos grasos saturados, para elevar su
punto de fusión y hacerlo más cremoso destinado a bases de grasas sólidas. En una industria
alimentaria nacional se utiliza el aceite vegetal como materia prima para la hidrogenación.
La composición másica de los triacilglicéridos del aceite vegetal es: 15% de triestearina y
85% de trioleína. La hidrogenación consiste en hacer reaccionar la trioleína con hidrógeno
para formar triestearina. La hidrogenación se efectúa en un 90% , según la reacción:
C H 2 O2 C CH 2 7 CH  CH CH 2 7 CH 3
C H 2 O2 C CH 2 16 CH 3
Pt ,Calor

 C HO2 C CH 2 16 CH 3
C HO2 C CH 2 7 CH  CH CH 2 7 CH 3  3 H 2 
CH 2 O2 C CH 2 7 CH  CH CH 2 7 CH 3
CH 2 O2 C CH 2 16 CH 3
Se alimenta el tanque de hidrogenado con 500 kg de aceite vegetal y 4.000molH 2 . Datos
adicionales: M Oleína  884 gr mol y M Estearina  890 gr mol
a. Dibuja y etiqueta el diagrama de flujo del proceso de hidrogenación de aceite de maíz
b. Calcula las cantidades de reactivos en unidades molares
c. Determina el reactivo limitante y el reactivo en exceso
d. Realiza los cálculos teóricos en base a la estequiometría de la reacción
e. Realiza los balances de materia en unidades molares
f. Calcula la cantidad y composición del producto en la descarga del hidrogenador
g. Comprueba los resultados con un balance de materia global en unidades másicas
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