Ortiz Coila, Ronmel Dionel-Trabajo N°3 PDF

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Cálculos de reactores químicosRonmel Dionel Ortiz CoilaDr. Sc. Nazario Villafuerte PrudencioDiseño de Reactores Químicos171168OctavoResolver el siguiente ejercicio:La descomposición del reactante A en fase gaseosa homogénea con una ecuación cinética de primer orden - rA = (10/h) CA. Si las condicion...

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Cálculos de reactores químicos Ronmel Dionel Ortiz Coila Dr. Sc. Nazario Villafuerte Prudencio Diseño de Reactores Químicos 171168 Octavo

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTILPLANO – FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

Resolver el siguiente ejercicio: La descomposición del reactante A en fase gaseosa homogénea con una ecuación cinética de primer orden - rA = (10/h) CA. Si las condiciones de operación son 650°C y 4,6 atm; la conversión ha de ser del 80% y la alimentación al reactor es FA0 = 1 800 mol/h , siendo la reacción en fase gaseosa: 4A →R + 6S. a) Halle el valor de CA0 b) Halle el Valor de ɛA c) Si la reacción se llevara a cabo en un reactor CSTR, calcule el tamaño del reactor. d) Si la reacción de llevara a cabo en un reactor PFR, calcule el tamaño del reactor. d) ¿Cuál de los reactores CSTR o PFR recomendaría Ud.? e) Si la reacción se llevara a cabo en reactor Batch, calcule el tiempo de reacción. f) Si la reacción se llevara a cabo en un reactor de lecho empacada con catalizador, halle la masa (W) del catalizador que se utilizará. SOLUCION: DATOS: Ecuación 4A →R + 6S.

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𝑇 = 650°𝐶 + 273𝐾 = 923𝐾 𝑃 = 𝑃𝐴0 = 4.6 𝑎𝑡𝑚 𝑋 = 𝑋𝐴 = 0.8 𝐹𝐴0 = 1800

𝑚𝑜𝑙 ℎ

𝑅 = 0.082 𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝑡/𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 ∗ 𝐾 𝑘=

10 ℎ

a) Halle el valor de CA0 De la ecuación de gases: 𝐶𝐴0 =

𝑃𝐴0 = 𝑅𝑇 0.082

𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 4.6 = 0.0608 𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝐿 𝐿 𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 ∗ 𝐾 ∗ 923𝐾

b) Halle el Valor de ɛA 𝜀𝐴 =

𝑉𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 − 𝑉𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 7 − 4 = 0.75 = 4 𝑉𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠

c) Si la reacción se llevara a cabo en un reactor CSTR, calcule el tamaño del reactor.

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𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 =? 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑙𝑔𝑒𝑏𝑟𝑎𝑖𝑐𝑎:

𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅0 =

𝐹𝐴0 ∗ 𝑋 −𝑟𝐴

… (1)

−𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴0(1 − 𝑋) De la ecuación (1) 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 = 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 = 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅

𝐹𝐴0 ∗ 𝑋 −𝑘𝐶𝐴

𝐹𝐴0 ∗ 𝑋 𝑘𝐶𝐴0 (1 − 𝑋)

𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 ∗ 0.8 1𝑚3 ℎ = 11842.10 𝐿 ∗ = 11.84 𝑚3 = 𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 10 1000𝐿 (1 − 0.8) 𝐿 ℎ ∗ 0.0608 1800

𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 = 12.0 𝑚3 d) Si la reacción de llevar a cabo en un reactor PFR (FLUJO PISTON O FLUJO TAPON), calcule el tamaño del reactor. 𝑉𝑃𝐹𝑅 =? 𝑥

𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑙:

𝑉𝑃𝐹𝑅 = ∫ 0

𝐹𝐴0 ∗ 𝑑𝑋𝐴 −𝑟𝐴

−𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴 𝐶𝐴 =

𝐶𝐴0(1 − 𝑋) (1 + 𝜀𝐴 𝑋𝐴 ) 𝑉𝑃𝐹𝑅 = ∫

0

𝑉𝑃𝐹𝑅 =

𝑥

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒

𝐹𝐴0 ∗ 𝑑𝑋𝐴 𝐶 (1 − 𝑋𝐴 ) 𝑘 ∗ 𝐴0(1 + 𝜀𝐴 𝑋𝐴 )

𝑥 (1 𝐹𝐴0 − 𝜀𝐴 𝑋𝐴 ) ∫ 𝑑𝑋𝐴 𝑘 ∗ 𝐶𝐴0 0 (1 − 𝑋𝐴 )

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𝑉𝑃𝐹𝑅 = 𝑉𝑃𝐹𝑅

𝐹𝐴0

𝑘 ∗ 𝐶𝐴0

1 − 𝜀𝐴 𝑋𝐴 ] [(1 + 𝜀𝐴 )𝑙𝑛 (1 − 𝑋𝐴 )

𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 1 ℎ − 0.75 ∗ 0.8] = 6562.054 𝐿 = 𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 ∗ [(1 + 0.75)𝑙𝑛 (1 − 0.8) 10 ∗ 0.0608 ℎ 𝐿 𝑉𝑃𝐹𝑅 = 6562.054 𝐿 = 6.56 𝑚3 = 7 𝑚3 1800

e) ¿Cuál de los reactores CSTR o PFR recomendaría Ud.? Primero hacemos una comparación entre el reactor de mezcla completa (CSTR) y el de flujo en pistón (PFR). •

•

•

Para cualquier fin determinado y para todos los órdenes positivos de reacción, el reactor de mezcla completa es siempre mayor que el reactor de flujo en pistón. La relación de volúmenes aumenta con el orden y para reacciones de orden cero el tamaño del reactor es independiente del tipo de flujo. Cuando la conversión es pequeña el comportamiento del reactor está sólo ligeramente afectado por el tipo de flujo, la relación de volúmenes tiende a uno cuando la conversión tiende a cero. Esta relación aumenta muy rápidamente cuando la conversión es alta; por consiguiente, si la conversión ha de ser alta será muy importante conocer la representación adecuada del tipo de flujo. La variación de densidad durante la reacción afectará al diseño; sin embargo, en general, su importancia es secundaria en comparación con la de los distintos tipos de flujo. La expansión (o disminución de densidad) durante la reacción hace que aumente la relación de volúmenes, o, en otras palabras, disminuye la eficacia del reactor de mezcla completa con respecto al reactor de flujo en pistón; el aumento de densidad durante la reacción actúa en sentido contrario

Recomendaría el uso de del reactor PFR, porque es buena para trabajar en fase gas, aun mas si es gas-gas suele trabajar a altas temperaturas sin desmerecer las bajas. Para ciertas reacciones el tiempo de residencia es mejor en los PFR que en los CSTR. Además de observar la variación del volumen en ambos casos. El único punto en contra podría ser la disponibilidad de presupuesto para realizar el reactor ya que los PFR son más caros a comparación de los CSTR. f) Si la reacción se llevara a cabo en reactor Batch, calcule el tiempo de reacción. 𝑡𝐵 =? 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑙

𝑥

𝑡𝐵 = 𝑁𝐴0 ∫ 0

𝑑𝑋𝐴 −𝑟𝐴 𝑉

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−𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴0(1 − 𝑋𝐴 ) 𝑡𝐵 =

𝑥 𝑁𝐴0 𝑑𝑋𝐴 ∫ 𝑘𝐶𝐴0 ∗ 𝑉 0 𝑘𝐶𝐴0 (1 − 𝑋𝐴 )

𝑡𝐵 = 𝑡𝐵 =

𝑁𝐴0 = 𝐶𝐴0 𝑉

1 1 𝑥 𝑑𝑋𝐴 ∫ = ∗ [− ln(1 − 𝑋𝐴 )] 𝑘 0 (1 − 𝑋𝐴 ) 𝑘

1 3600 𝑠 = 579.6 𝑠 = 580 𝑠 ∗ [− ln(1 − 0.8)] = 0.161 ℎ ∗ 10 1ℎ ℎ

g) Si la reacción se llevara a cabo en un reactor de lecho empacada con catalizador, halle la masa (W) del catalizador que se utilizará 𝑊𝐿 =? 𝐸𝐶𝑈𝐴𝐶𝐼𝑂𝑁 𝐼𝑁𝑇𝐸𝐺𝑅𝐴𝐿 −𝑟𝐴´ = 𝑘

𝑥

𝑊𝐿 = ∫ 0

𝐹𝐴0 𝑑𝑋𝐴 −𝑟𝐴 ´

𝐶𝐴0 (1 − 𝑋) (1 + 𝜀𝐴 𝑋𝐴 )

𝑥 𝑑𝑋𝐴 𝑊𝐿 =∫ 𝐹𝐴0 0 −𝑟𝐴 ´ 𝑥 𝑑𝑋𝐴 𝑊𝐿 =∫ 𝐶 (1 − 𝑋𝐴 ) 𝐹𝐴0 0 𝑘 𝐴0 (1 + 𝜀𝐴 𝑋𝐴 ) 𝑥 (1 𝑊𝐿 + 𝜀𝐴 𝑋𝐴 ) 𝑑𝑋𝐴 =∫ 𝐹𝐴0 0 𝑘𝐶𝐴0 (1 − 𝑋𝐴 ) 𝑥 (1 + 𝜀𝐴 𝑋𝐴 ) 𝑊𝐿 ∗ 𝑘 ∗ 𝐶𝐴0 =∫ 𝑑𝑋𝐴 (1 − 𝑋𝐴 ) 𝐹𝐴0 0

𝑊𝐿 ∗ 𝑘 ∗ 𝐶𝐴0 1 = (1 + 𝜀𝐴 ) ∗ 𝑙𝑛 − 𝜀𝐴 𝑋𝐴 (1 − 𝑋𝐴 ) 𝐹𝐴0

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𝑊𝐿 ∗

10 𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 ∗ 0.0608 𝐿 − 0.75 ∗ 0.8 ℎ 𝑚𝑜𝑙 − 𝑔 (1 −10.8) 1800 = (1 + 0.75) ∗ 𝑙𝑛

Resolviendo para 𝑊𝐿 𝑊𝐿 =

ℎ

2.2165 = 6561.5748 𝑘𝑔 = 6562 𝑘𝑔 3.378 ∗ 10−4

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