Conversión, selectividad y rendimiento.

Conversión, selectividad y rendimiento.

1. Balance de materia con reacción química en sistemas
múltiples con recirculación, purga y derivación.
 Conversión Global (total)
Conversión por etapa (en un paso)
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Se utilizan estas dos definiciones de conversión
cuando hay separación de productos y
recirculación de reactivos sin consumir
 Selectividad y rendimiento
Se utilizan estas dos definiciones para describir
en qué grado predomina la reacción deseada
sobre las reacciones secundarias indeseables.

2. Conversión global y conversión en un paso
UNEFM-Principios de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero procesoalreactivosdeEntrada
procesodelreactivosdeSalidaprocesoalreactivosdeEntrada
globalConversión
____
)____()____(
_

 reactoralreactivosdeEntrada
reactordelreactivosdeSalidareactoralreactivosdeEntrada
etapaporConversión
____
)____()____(
__


Como siempre, se obtienen los porcentajes de
conversión correspondientes multiplicando estas
cantidades por 100

3. Ejemplo:
Considere el siguiente diagrama de flujo marcado para un proceso químico simple que se basa
en la reacción A B
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Reactor Separador
75 mol A/min 100 mol A/min 25 mol A/min
75 mol B/min
75 mol B/min
25 mol A/min
La conversión total de A es
La conversión por etapa de A es %100100*
min)/74(
min)/0(min)/75(



entra
saleentra
molA
molAmolA %75100*
min)/100(
min)/25(min)/100(



entra
saleentra
molA
molAmolA

4. En un reactor se deshidrogena propano para dar propileno. El proceso se va a diseñar para una
conversión total (o global) de 95% del propano. Los productos de la reacción se separan en dos corrientes;
la primera que contiene H2, C3H6; y 0,555% (molar) del propano que sale del reactor se considera como
producto. La segunda corriente, que contiene el balance del propano sin reaccionar y 5% del propileno
de la primera corriente (o corriente de producto final), se recircula al reactor. Calcule la composición del
producto, la relación (moles recirculados/moles alimentación fresca) y la conversión en un paso.
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C3H8 C3H6+H2 Separador
Ejemplo:
Alimentación
fresca
100 mol C3H8
C3H8
C3H6
C3H8
C3H6
C3H8
C3H6
H2
C3H8
C3H6
H2
Recirculación
1
2 3 4
5
Producto
Solución: 83
__5____ HCmolprocesodelreactivosdeSalida 
Para este cálculo consideramos la frontera del sistema. De la ecuación anterior despejamos lo
desconocido, que es la Salida de Reactivos del reactor. Por lo cual obtenemos:
Frontera
del
sistema procesoalreactivosdeEntrada
procesodelreactivosdeSalidaprocesoalreactivosdeEntrada
globalConversión
____
)____()____(
_



5. UNEFM-Principios de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Podemos realizar un balance por especies atómicas(considerando la frontera del proceso) para determinar los moles
de C3H6 e H2 que salen como productos
Ejemplo: 

























63
63
83
83
83
83
1
3
*
1
3
*5
1
3
*100
HmolC
molC
HXmolC
HmolC
molC
HmolC
HmolC
molC
HmolC
Operando obtenemos: 95 mol de C 3H6 salen como producto en la corriente 4



































2
2
63
63
83
83
83
83
1
2
*
1
6
*95
1
8
*5
1
8
*100
molH
molH
XmolH
HmolC
molH
HmolC
HmolC
molH
HmolC
HmolC
molH
HmolC
Carbono:
Hidrógeno:
Operando obtenemos: 95 mol de H 2 salen como producto en la corriente 4

Una vez que conocemos los moles de C 3H6, C3H8 y H2 que salen por la corriente de producto (corriente 4)
podemos calcular la composición de dicha corriente. Recuerda que este cálculo se realiza sumando los
moles totales de la corriente y dividiendo los moles de cada componente entre los moles totales. Así
tenemos las composiciones molares:
Moles totales (corriente 4)= mol C3H6 + mol C3H8 + mol H2
Moles totales (corriente 4) = 95 mol + 5 mol + 95 mol
Moles totales (corriente 4) = 195 mol
Composiciones:
C3H6 = 95mol/195mol = 0,487
C3H8 = 5mol/195mol = 0,487
H2 = 95mol/195mol = 0,025

6. UNEFM-Principios de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Ejemplo:
Se dice que el 5% del propileno que sale por la corriente 4 , se recircula . Si ya calculamos los moles de propileno que
salen en la corriente de producto, ahora con este porcentaje, calculamos los moles recirculados de C3H6: 75,405,0*95 
mol de C3H6 se recirculan

Si el 0,555% del propano que sale del reactor está presente en la corriente de producto (4), entonces el
100% de la corriente de propano que sale del reactor se puede determinar mediante la siguiente relación. 9,900
555,0
100*5

mol
mol de C3H8 salen del reactor

Si del reactor salen 900,9 mol de C3H8, y en la corriente de producto (4) salen 5 mol de de C3H8, realizando
un balance molar sencillo en el separador se obtiene que se recirculan 895,9 mol de C3H8.
Recirculación

Balance para el C3H8 en el separador:
C3H8 (3) = C3H8 (4) + C3H8 (5)
900,9 mol = 5 mol + C3H8 (5)
C3H8 (5) = 895,9 mol
5

En consecuencia, los moles recirculados totales serán:
Moles recirculados = mol C3H8 + mol C3H6
Moles recirculados = 895,9 C3H8 + 4,75 mol C3H6
Moles recirculados =900,65 mol = Corriente 5

7. UNEFM-Principios de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Ejemplo:
La relación moles alimentados/moles recirculados es: entadosamolesosrecirculadmoles
entadosaMoles
osrecirculadMoles
lim_/_9
100
65,900
lim_
_

La conversión en un paso es: reactoralreactivosdeEntrada
reactordelreactivosdeSalidareactoralreactivosdeEntrada
etapaporConversión
____
)____()____(
__

 %13,9
9,995
)9,900()9,995(
__ 

etapaporConversión
Entrada de reactivo (C3H8) al reactor = (100 mol + 895,9 mol)
Entrada de reactivo (C3H8) al reactor = 995,9 mol
Salida de reactivo (C3H8) al reactor = 900,9 mol
C3H8 C3H6+H2 Separador
Alimentación
fresca
100 mol C3H8
C3H8 = 995,9 mol
C3H6 = 4,75 mol
C3H8 = 895,9 mol
C3H6 = 4,75 mol
C3H8 = 900,6 mol
C3H6
H2
C3H8= 95 mol
C3H6 = 5 mol
H2 = 95 mol
Recirculación
1
3
5
Producto
El diagrama con la información determinada queda:
2

8. Principio de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Ejercicios propuestos
1. El metanol se produce haciendo reaccionar dióxido de carbono con hidrógeno:
CO2 + 3H2 CH3OH + H2O
La alimentación fresca al proceso contiene hidrógeno, dióxido de carbono y 0,4% mol de sustancias inertes
(I). El efluente del reactor pasa a un condensador, donde se retiran todo el metanol y el agua que se formaron y
ningún reactivo ni sustancia inerte. Estos últimos se recirculan al reactor. Para evitar la acumulación de sustancias
inertes en el sistema, se retira una corriente de purga de la recirculación.
La alimentación al reactor (no la alimentación fresca al proceso) contiene 28% mol CO2, 70% mol H2 y 2% mol
de sustancias inertes. La conversión del hidrógeno en un paso es de 60%. Calcule las velocidades de flujo molar, y
las composiciones molares de la alimentación fresca, la alimentación total al reactor, las corrientes de
recirculación y de purga para una velocidad de producción de 155 mol de CH3OH/h.
Recomendación: asuma B.C. 100 mol de alimentación en la corriente 2
Reactor Condensador
1 2 3
4
5
7 6
CO2
H2
Y(I) = 0,004
CO2 = 28%
H2 = 70%
I =2 %
CO2
H2
I
CO2
H2
I
CH3OH
H2O
CO2
H2
I

9. Principio de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Rendimiento y Selectividad
Considere las siguientes reacciones donde se desea producir C2H4 (producto deseado) 4636242
4262
24262
2
CHHCHCHC
CHHHC
HHCHC



Si la finalidad principal del proceso es producir etileno (C2H4), entonces sólo la primera reacción o reacción
principal es deseable. Como se observa, la segunda reacción consume el reactivo sin dar el producto deseado,
y la tercera reacción consume tanto el reactivo, como el producto deseado.
Reacción principal o deseada
Reacciones secundarias
Rendimiento( R ) Selectividad ( S )
Moles formados del producto deseado
Moles que se hubieran formado si no
existieran reacciones secundarias y
todo el reactivo limitante reaccionara
( R )=
Moles formados del producto deseado
( S )=
Moles formados del producto no deseado

10. Principio de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Ejemplo:
Las reacciones C2H6 C2H4 + H2 Reacción deseada
C2H6 + H2 2CH4 Reacción no deseada
Se llevan a cabo en un reactor contínuo en estado estacionario. La alimentación contiene 85% mol
de etano (C2H6) y el balance son productos inertes (I). La fracción de conversión del etano es 0,501
y el rendimiento fraccionario del etileno (C2H4) es 0,471.Calcule la composición molar del gas
producido y la selectividad del etileno para la producción de metano. Considere una B.C. de 100
mol de alimentación.

Solución:
C2H6
C2H4
H2
CH4
I
B.C. 100 mol de alimentación
85 mol C2H6
15 mol I
YC2H6 = 0,85
YI = 0,15
Producto deseado: C2H4
Producto no deseado: CH4
Se puede plantear un balance por grado de avance. Observemos que conocemos y qué podemos calcular:
N salen = N entran 
C2H6:
C2H4:
H2:
CH4:
I:
N salen = 85 - Ԑ1 - Ԑ2
N salen = 0 +Ԑ1
N salen = 0 + Ԑ1 - Ԑ2
N salen = 0 + 2 Ԑ2
N salen = 15 mol
Ecuación 1
Ecuación 2
Ecuación 3
Ecuación 4

11. Principio de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Conociendo la fracción de conversión del etano es 0,501 = 50,1 %. 100*
lim_
_
%
enatdosan
onreaccionarn
Conversión
Despejamos y
sustituimos los
valores
conocidos 58,42
100
85*1,50
)(_
62
HConreaccionarn
mol de C2H6 reaccionaron
Si entraron en la alimentación 85 mol de C2H6, y reaccionaron 42,58; por diferencia. podemos decir que 42,42
mol de C2H6 no reaccionan y salen del sistema.
Sabemos que el rendimiento fraccionario del etileno (C2H4) = 0,471 = 47,1 %
Moles formados del producto deseado
Moles que se hubieran formado si no existieran reacciones secundarias y
todo el reactivo limitante reaccionara
R =
Calculamos los moles formados del producto deseado a partir de los 85 mol de C2H6 que reaccionaron por
estequiometría: 42
62
42
62
85
1
1
*85 HmolC
HmolC
HmolC
HmolC 
*100

12. Principio de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Ahora, despejando los moles formados del producto deseado de la ecuación de rendimiento, y sustituimos los
valores conocidos, obtenemos:
Moles formados del producto deseado =
47,1 * 85 mol C2H4
100
= 40,3 mol C2H4
Una vez obtenida toda la información requerida, se procede a sustituirla en las ecuaciones de balance por
grado de avance:
Ecuación 2 C2H4: N salen = 0 +Ԑ1
40,03 = + Ԑ1
C2H6: N salen = 85 - Ԑ1 - Ԑ2 Ecuación 1
42,42= 85 – 40,03 - Ԑ2
Ԑ2 = 2,58
H2: N salen = 0 + Ԑ1 - Ԑ2
N salen = 40,03 -2,58
Ecuación 3
N salen = 37,45
CH4: N salen = 2 Ԑ2
N salen = 2 (2,58)
N salen = 5,16
Ecuación 4
Conociendo los moles de cada componente a la
salida, calculamos los moles totales y
posteriormente calculamos la composición molar
de la corriente relacionando los moles de cada
componente y los moles totales de la corriente de
salida:
Moles totales: 140,6 mol
Composiciones:
C2H6:
C2H4:
H2:
CH4:
I:
30,28 %
28,58 %
26,73 %
3, 68 %
10, 70%

13. Principio de Ingeniería Química-Aprendizaje Dialógico Interactivo-Prof. Sheila Rivero
Moles formados del producto deseado
Moles formados del producto no deseado
S(C2H4/CH4 )= 75,7
16,5
03,40
4
42

molCH
HmolC
La Selectividad la calculamos: