Balance de materia y energia

Taller2 U4 Resolver el problema con la temperatura T indicada abajo para cada equipo.

Descripción del problema

El n-butano se convierte en isobutano en un reactor continuo de isomerización que opera a temperatura constante de 160 ℃. La alimentación al rector contiene 93% mol de n-butano, 5% de isobutano y 2% de HCl a 160 ℃, y se logra transformar 40% del n-butano.

1. calcule el calor estándar de la reacción de isomerización (KJ/mol). Después tomando como referencia las especies de alimentación y producto a 25℃, prepare una tabla de entalpias de entrada y salida y calcule y escriba las cantidades de los componentes (mol) y sus entalpias especificas (KJ/mol)

1. Calcule la velocidad de transferencia de calor necesaria (en KJ) hacia o desde el reactor (especifique que ocurre). Después determine la velocidad requerida de transferencia de calor (KW) para una alimentación de 325 mol/h al reactor.

[pic 1]

1. SOLUCIÓN

[pic 2]

Para calcular la entalpía de formación estándar se debe encontrar la entalpía de formación estándar de cada compuesto, dichos datos se encuentran en la Tabla B.l Datos selectos de propiedades físicas del libro “Principios Elementales de los Procesos Químicos” de. Felder y Roussea. pág 636, Tercera Ed.

𝑘𝐽

∆Ĥf°𝑛"𝐶$𝐻&0()) =  −124.7  𝑚𝑜𝑙[pic 3]

𝑘𝐽

∆Ĥf°+"𝐶$𝐻&0()) =  −134.5  𝑚𝑜𝑙[pic 4]

Se sustituyen los datos en la siguiente ecuación:

[pic 5]

∆𝐻𝑟° = (1) ;−134.5 𝑘𝐽        𝑘𝐽 )[pic 6]

𝑚𝑜𝑙

𝑘𝐽

𝑚𝑜𝑙

∆𝐻𝑟° = −9.8 𝑚𝑜𝑙[pic 7]

No fue necesario agregar la entalpía de formación estándar del HCl, ya que al ser uncatalizador no interviene activamente en la reacción.

Entonces, respondiendo la pregunta del inciso a), el calor estándar de la reacción de isomerización (KJ/mol) es:[pic 8]

Además, el problema nos pide que tomando como referencia las especies de alimentación y producto a 25℃, se debe preparar una tabla de entalpías de entrada y salida (Tabla 1), para lo cual se tiene que calcular las entalpías específicas (KJ/mol) y escribir las cantidades de loscomponentes (mol).

Por ende, para conocer cuántos moles de cada componente entran y salen del reactor necesitamos hacer un balance de materia:

BALANCE DE MATERIA

BASE DE CÁLCULO: Se propuso 1 mol/h de alimentación[pic 9]

[pic 10]

Sabemos que la reacción es :        [pic 11] Introducimos una nueva variable (Z):

𝑍 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑛 − 𝑏𝑢𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠

Además, cabe recordarse que se propuso la siguiente simbología:

1: 𝒏 − 𝑪𝟒𝑯𝟏𝟎(𝒈)        2: 𝑖 − 𝐶4𝐻10(𝑔)        3:        𝐻𝐶𝑙(𝑔)

Ecuaciones adicionales

𝑋1𝐵 + 𝑋2𝐵 + 𝑋3𝐵 = 1        (4)

𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛:        𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑛−𝑏𝑢𝑡𝑎𝑛𝑜

𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑛−𝑏𝑢𝑡𝑎𝑛𝑜[pic 12]

𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠

entonces:

[pic 13]

0.40 =        𝑧        

0.34 𝑚𝑜𝑙/7

Despejando a Z de la ecuación (5) tenemos que:

(5)

𝑍 = 0.93𝑚𝑜𝑙 /ℎ(0.40)

𝑍 = 0.372𝑚𝑜𝑙/ℎ

Entonces sustituyendo el valor de 𝑍 en (1) y (2) tenemos que:

0.93𝑚𝑜𝑙/ℎ − (0.372𝑚𝑜𝑙/ℎ) = 𝑋1𝐵 𝐵        (1)

...