La gran Operación no isotérmica

Operación no isotérmica

Puede que no sea realista utilizar la operación isotérmica de un BR como base para el diseño, en particular para una reacción que es fuertemente exotérmica o endotérmica. Aunque T puede cambiar considerablemente si no se corrige, y puede ser necesario controlar la manera que lo hace no va demasiado alto o demasiado bajo, no tiene por qué ser estrictamente constante. Además, en algunos casos, puede haber ventajas, desde el punto de vista de la cinética, si se permite que T para aumentar de una manera controlada.

Con el fin de evaluar el diseño tanto del reactor y el intercambiador de calor requerido para controlar T, es necesario utilizar el balance de materiales y el balance de energía, junto con la información sobre velocidad de reacción y la tasa de transferencia de calor, puesto que hay una la interacción entre T y FA. En esta sección, se consideran dos casos de operación no isotérmico: adiabática (Q = 0) y no adiabática (Q no es = 0).

Operación adiabática

En la operación adiabática, no hay ningún intento para enfriar o calentar el contenido del reactor (Es decir, no hay ningún intercambiador de calor). Como resultado, T se eleva en una reacción exotérmica y cae en una reacción endotérmica. Este caso se puede utilizar como un caso límite de un comportamiento no isotérmica, para determinar si  cambios T son suficientemente para requieren un gasto adicional de un intercambiador de calor y el controlador T.

Para un sistema adiabático con Q = 0, el balance de energía se convierte:[pic 1]

Sustituyendo (-rA)*V del balance de materiales en cuanto a la FA en la ecuación anterior obtenemos:

[pic 2]

Como hay una relación implícita e integrando se puede expresar:[pic 3]

El tiempo t necesaria para lograr la conversión fraccional fA se obtiene por integración del balance de materiales:

[pic 4]

Prob. 12.8 / capitulo 12/ pág. 314

A liquid-phase reaction A+B→C is conducted in a 50L batch reactor. The reaction is first-order with respect to each reactant.

1. Determine the time required for 90% conversión of A, if (i) the reaction occurs adiabatically, (ii) the reaction occurs isothermally at To.
2. determine Q and Tc (as functions of time), if a cooling coil is placed in the tank to main tain the isothermal contions required en (a) part (ii).
3. For (a) part (i), sketch the conversión-versus-time and temperatura-versus-time profiles.

Data:

CA0 and CB0 are 0.5mol/L and 0.75mol/L, respectively. The initial temperatura (T0) is 400K, and the heat capacity of the reactor contents is 3.8J/gK .

The fluid density is 0.75g/cm3 , and the heat transfer parameter (UAc) for part (b) is 100W/K .                                                                                                                         The reaction is exothermic (-145KJ/molA ), and KA=1.4*107*exp(-7700/T)l/molmin

Traducción: Prob. 12.8 / capitulo 12/ pág. 314

Una reacción en fase liquida A+B→C se lleva a cabo en un reactor intermitente de 50L. La reacción es de primer orden con respecto a cada reactivo.

1. Determine el tiempo necesario para una conversión del 90% de A, si (i) la reacción se produce adiabáticamente (ii) la reacción se produce isotérmicamente a T0.
2. Determine Q y Tc (en función del tiempo), si un serpentín de refrigeración se coloca en el tanque para mantener las condiciones isotérmicas requeridas en (a) parte (ii).
3. Para (a) la parte (i) graficar la conversión con respecto al tiempo y los perfiles de temperatura frente al tiempo.

Datos:

CA0 y CB0 son 0.5mol/L y 0.75mol/L, respectivamente. La temperatura inicial (T0) es 400K, y la capacidad de calor del contenido del reactor es 3.8J/gr*K.

La densidad del fluido 0.75gr/cm3 y el parámetro de transferencia de calor (U*Ac), para la parte (b) es 100W/K. La reacción es exotérmica (-145KJ/molA).

 KA=1.4*107*exp(-7700/T)l/mol*min.

SOLUCION:

Sea la ecuación de la velocidad de reacción respecto al reactivo A dado que es el que limita la reacción:

 ……….. (1)[pic 5]

Considerando volumen cte. dado que se trabaja en fase liquida se obtiene lo siguiente:

[pic 6]

[pic 7]

De la ley de proporciones definidas se obtiene:

[pic 8]

[pic 9]

Reemplazando estas relaciones en (1) se obtiene:

……….. (2)[pic 10]

Del balance de masa se obtiene la ecuación de diseño para el batch:

………………………. (3)[pic 11]

Del balance de energía se obtiene para un reactor por lotes:

[pic 12]

 …….. (4)[pic 13]

(a), (i) Se requiere el tiempo necesario para una  cuando opera adiabáticamente:[pic 14]

Se cumple: [pic 15]

Entonces la ecuación (4) se reduce de esta forma:

[pic 16]

De la definición de la velocidad de reacción y haciendo un reacomodo de variables se obtiene:

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