Diseño de reactores: 23228-D1

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Universidad industrial de Santander

Escuela de Ingeniería Química

Diseño de reactores: 23228-D1

Profesor: Gustavo Emilio Ramirez Caballero

Taller Tubular

Estudiante:

Ronald Javier Ortiz Ardila 2170650

Bucaramanga,08/10/2021

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Ejercicio:

Se da una reacción de primer orden, en fase gaseosa, exotérmica, que ocurre en un reactor tubular empacado.

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El alimento es A puro y entra a razón de 20, presión de 10atm y temperatura de 450K.[pic 5]

Hallar los perfiles de (W,XA), (W,T), y (W, P) hasta alcanzar una conversión de 0.95 en los siguientes casos:

1. Operación adiabática y sin considerar perdidas por presión
2. Operación adiabática y considerando perdidas por presión según la ecuación:

 donde [pic 6][pic 7]

1. Considérese perdidas por presión e intercambio de calor. Temperatura del fluido de enfriamiento 50C. [pic 8]

Desarrollo

Las ecuaciones usadas para resolver el reactor tubular son:

• [pic 9]
• [pic 10]
• [pic 11]
• [pic 12]
• [pic 13]
• [pic 14]

Se tuvieron en cuenta varias consideraciones para resolver el ejercicio.

1. La presión de operación del reactor debe ser positiva para que los reactivos se desplacen hasta la salida del equipo.
2. Se realizó un cambio de variable para poder determinar la cantidad de catalizador que debe introducirse al sistema para alcanzar las condiciones de operación deseadas.

1. Operación adiabática y sin considerar perdidas por presión.

La operación consiste en usar cierta cantidad de catalizador para alcanzar una conversión de 0.95 con las condiciones de que sea un proceso adiabático en el cual no se tengan en cuenta las perdidas por presión.

La operación adiabática indica que el termino de calor en la ecuación de energía alcanza el valor de cero, lo cual simplifica los cálculos. Adicionalmente, son mas sencillos debido a que no se tienen en cuenta perdidas por presión. En conclusión, se trata de un caso ideal que en la realidad es muy difícil llevar a cabo.

Para realizar un mejor análisis del proceso se recurre a una herramienta electrónica como MATLAB para llevar a cabo los cálculos.

Se escribe un algoritmo que lleve a cabo las operaciones hasta que se cumpla cierta condición. Adicionalmente, se presentan diferentes graficas de variables y su comportamiento a medida que aumenta la cantidad de catalizador.

La cantidad de catalizador utilizado para este proceso es de 55.2 Kg.

El código utilizado para desarrollar el ejercicio es:

clc

clear

deltaH=-20E3;CpA=40;CpB=25;CpC=15;q=20E-3;P0=10;T0=450;R=8.314472;

ro=0.9;tetaA=1;vA=-1;e=1;xA=0;tetaB=0;tetaC=0;deltaw=0.1;vB=1;vC=1;

CA0=P0*101.325/(T0*R);

FA0=q*CA0;

i=1;T(i)=T0;xA(i)=0;w(i)=0;P(i)=P0;

while (xA(i)<0.95)

    FA=FA0*(tetaA+vA*xA(i));

    FB=FA0*(tetaB+vB*xA(i));

    FC=FA0*(tetaC+vC*xA(i));

    k=0.1333E-3*exp(31.4E3*(1/450-1/T(i))/R);%m3/Kgcat s

    CA=CA0*(tetaA+vA*xA(i))/((1+e*xA(i))*(P0/P(i))*(T(i)/T0));

    rA(i)=k*CA;

    dxAdw=rA(i)/(FA0);

    dTdw=-rA(i)*deltaH/((FA*CpA+FB*CpB+FC*CpC));

    xA(i+1)=xA(i)+dxAdw*deltaw;

    T(i+1)=T(i)+dTdw*deltaw;

    w(i+1)=w(i)+deltaw;

    P(i+1)=P(i);

    i=i+1;

end

rA(i)=rA(i-1);

subplot(4,1,1)

plot(w,xA)

title("Peso de catalizador(Kg) VS conversion")

xlabel("Peso de catalizador (Kg)")

ylabel("Conversion")

subplot(4,1,2)

plot(w,T)

title("Peso de catalizador (Kg) VS Temperatura (K)")

xlabel("Peso de catalizador (Kg)")

ylabel("Temperatura (K)")

subplot(4,1,3)

plot(w,P)

title("Peso de catalizador (Kg) VS Presion (atm)")

xlabel("Peso de catalizador (Kg)")

ylabel("Presion (atm)")

subplot(4,1,4)

plot(w,rA)

title("Peso de catalizador (Kg) VS Velocidad de reaccion")

xlabel("Peso de catalizador (Kg)")

ylabel("Velocidad de reaccion ")

Ejercicio 1 - Grafica1. Conversión alcanzada según la cantidad de catalizador.[pic 15]

Se observa que la conversión aumenta con la cantidad de catalizador presente. Para alcanzar la conversión de 0.95 se necesitan aproximadamente 55 Kg.

Esto es debido a que entre mas catalizador esté presente en el reactor, mas tiempo va a estar en contacto los reactivos para llevar a cabo la reacción.

Sin embargo, entre más catalizador se use, el volumen de reactor va a ser mayor.

Ejercicio 1 - Grafica 2. Cambio de la temperatura con el catalizador.[pic 16]

Se presenta un aumento de la temperatura con la cantidad de catalizador debido a que mientras mayor sea la cantidad de empaque, se alcanza una mayor conversión y esto provoca una reacción mas larga donde se libera energía.

Como el reactor se trabaja adiabáticamente, la energía no se transfiere hacia otros equipos provocando que se acumule y se vea reflejada en un aumento de la temperatura.

Ejercicio 1 - Grafica 3. Variación de la presión.[pic 17][pic 18]

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