Fogler Cap 8

7/25/2019 Fogler Cap 8

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Ejercicios del Capítulo 8 de Fogler

PROBLEMA 4

P8-4 El siguiente es un extracto de The Morning News, de il!ington" #ela$are %& de

agosto de '())*+ ,Los inestigadores est.n exa!inando los desec/os de la explosi0n

con o1jeto de deter!inar la causa %2ue prooc0 la destrucci0n de la nuea planta de

0xido nitroso*3 n ocero de la co!pa5ía dijo 2ue parece pro1a1le 2ue la explosi0n

%!ortal* /a6a sido causada por otro gas %nitrato de a!onio*" el cual se e!plea para

producir 0xido nitroso73 e ali!enta una soluci0n acuosa de 8&9 %en peso* de nitrato

de a!onio 6 ')9 de agua a :;;<F al C=R operado a una te!peratura de

aproxi!ada!ente >'; <F3 El nitrato de a!onio ?undido se desco!pone directa!ente

para producir 0xido nitroso gaseoso 6 apor de agua3 e cree 2ue se o1seraron

?luctuaciones de presi0n en el siste!a@ co!o resultado" el nitrato de a!onio ?undido

2ue se ali!ent0 al reactor 2ui.s /a6a dejado de ?luir aproxi!ada!ente 4 !inutos

antes de la explosi0n3 %a* Puede usted explicar la causa de la explosi0n %1* i laelocidad de ali!entaci0n al reactor justo antes del cierre de la .lula ?ue de &';

li1ras de soluci0n por /ora" cu.l era la te!peratura exacta en el reactor justo antes

del cierre %c* C0!o arrancaría o detendría una reacci0n de este tipo para

controlarla %d* Du aprendería al aplicar los criterios para reacciones

descontroladas

Asuma que en el momento en que se detuvo la alimentación al CSTR había 500 libras denitrato de amonio dentro del reactor. Se cree que la conversión en el reactor es prácticamente completa, cerca del .!.

Información adicional "apro#imada, pero cercana al caso real$%

&onde ' es la masa de nitrato de amonio en el CSTR "libras$ ( ) está dada por la si*uienterelación.

T "+$ 5-0 50) " $ 0./0 1.-1



2as entalpías de a*ua ( de vapor de a*ua son

3#plore este problema ( describa lo que encuentre. "4or eemplo, 6puede *ra7icar una7orma de R "T$ contra 8"T$$ %?* &iscuta cuál cree que es el obetivo del problema. 2a idea para este problema se derivó de un artículo escrito por 9en :oro;it<.

OLCOG

3ncuentre la temperatura del reactor en estado estacionario "antes de apa*ar$.

&ee '= masa del >:?>@/ en el reactor.

9alance de 'asa%

9alance de 3ner*ía%

&onde es la entalpia de i a la temperatura de la reacción, es el calor

de vapori<ación de A, ( es el calor de reacción a la temperatura de

salida.

3l Bltimo trmino cuenta para lo que no ha reaccionado

de >:?>@/ donde e#iste como en lu*ar del vapor el liquido. Ahora nosotros podemoshacer al*unas sustituciones.



Capacidad del calor para A es dada, ( el cambio de entalpia para el a*ua 100+ "l$ 500+"*$ is tambin dada.

3ntonces, dividiendo despus para , nosotros obtenemos

2a ecuación previa asume que las capacidades de calor son constantes sobre un ran*ora<onable de temperatura.

3l cambio de 7ase >:?>@"aq$ >:?>@"l$ es isoentálpico.

3n adición, nosotros debemos tener en cuenta la dependencia de la temperatura para ele7ecto de

Si nosotros tenemos

ó,

Sustitución numrica con

D"50$=5.0/ ( )"5-0$=0.5/



"4= - atm sobre ?50E500+ :immelblau$

Sustitu(endo todo esto en los balances de masa ( ener*ía%

9alance de masa%

9alance de 3ner*ía%

Asumiendo F=0. ( '=500. Tenemos, del balance de masa%

PROBLEMA H

P8-H3 La reacci0n en ?ase li2uida ele!ental org.nica e irreersi1le



e llea a ca1o adia1.tica!ente en un reactor de ?lujo3 Entra una ali!entaci0n

e2ui!olar de A 6 B a :)<C" en tanto el ?lujo olu!trico es de :d!&Is 6 CA;J ;3' K!ol

I!&3

a$ Calcule los volBmenes de 4R ( CSTR necesarios para lo*rar una conversión del G5!6Cuál es el motivo de las di7erenciasH

b$ 6Cuál es la temperatura má#ima de entrada que se puede utili<ar para que no se e#ceda

el punto de ebullición del líquido "550 D$ aun en el caso de conversión total.c$ 8ra7ique la conversión ( la temperatura en 7unción del volumen del 4R "es decir, la

distancia a lo lar*o del reactor$.d$ Calcule la conversión que puede lo*rase en un reactor CSTR de 500 dm/ ( en dos

CSTR de 150 dm/ en serie

In7ormación adicional

,

,

Resoluci0n

&esde la alimentación es equimolar, CA@ = C9@ = 0.- molJdm/

Adiabático%



a$

4ara el 4R, A@ = C A@ v o=0.- K1 =0.1 mol sJdm/

tiliando el a!1iente poli!at/ E#O



Lemos que para la conversión de 0.G5 el valor má#imo para el volumen es de /0G.1-dm/

4ara el CSTR

Si F=0.G5 entonces



2a ra<ón por esta di7erencia de la temperatura ( por lo tanto la velocidad de reacción

permanece constante a lo lar*o del todo el CSTR "i*ual a las condiciones de salida$,mientras que para un 4R, la velocidad se incrementa *radualmente con la temperatura dela entrada ( de la salida, entonces la velocidad incrementa con la lon*itud.

b$

4ara una temperatura de ebullición de 550 D

c$

8ra7ica T= 7"L$



8ra7ica F=7"L$

d$

4ara L=500 dm/, A@ =0.1



tiliando el a!1iente poli!at/ GOG-LGEAR EDA=OG



4or lo tanto, para un 4R de 500 dm/ se lo*ra una F=0.1 ( una T=?G?.?D

4ara la conversión en 1 CSTRMs de 150 dm/ cada uno,

4ara el primero CSTR, usando una pro*ramación análo*a ( L=150 dm /



T = ?.?G ( F=0.GG1?

4or lo tanto, en el se*undo reactor



4or lo tanto la conversión 7inal F=0./



PROBLEMA 8

P8-83 La reacci0n ele!ental irreersi1le en ?ase gaseosa

ABC

e e?ectNa adia1.tica!ente en un PFR reactor tu1ular e!pacado con cataliador3Entra A puro al reactor con un ?lujo olu!trico de :; d!&Is 6 presi0n de '; at! 6

te!peratura de 4>; 3

a3 ra?i2ue la conersi0n 6 la te!peratura a lo largo del PFR /asta 2ue se logre una

conersi0n del 8;9 %de ser posi1le*3 %El peso !.xi!o del cataliador 2ue puede

e!pacarse en el PFR es de >; Kg*3 Asu!a 2ue QPJ;";

13 Du peso de cataliador es necesario para lograr una conersi0n del 8;9 en un

C=R

c3 Escri1a una pregunta 2ue re2uiera de pensa!iento crítico 6 despus expli2ue por

2u lo necesita3d3 A/ora to!e en cuenta la caída de presi0n en un PFR3

En reactor puede e!pacarse con partículas de dos ta!a5os distintos3 Elija uno

de ellos

J;";'(IKg cat para el di.!etro de partícula #'

J;";;)>IKg cat para el di.!etro de partícula #:

ra?i2ue la te!peratura" la conersi0n 6 la presi0n a lo largo del reactor3 Saríe

los par.!etros 6 Po para o1serar el rango de alores en los cuales se a?ecta

dra!.tica!ente la conersi0n

n?or!aci0n adicional

CPaJ4;TI!ol3K CpBJ:>TI!ol3K CpCJ'>TI!ol3K

U;AJ -); TI!ol U;

BJ ->;KTI!ol U;CJ -4;KTI!ol

=odos los calores de ?or!aci0n est.n re?eridos a :)& K3

KJ;"'&&exp V

Saríe la te!peratura de entrada"=o 6 descri1a lo 2ue o1sere 3

a* AN9OC

v0=10 dm/Js4o=-0 atm

P=-



ErA=DcA

3=/-?00

Q:0

R#= E10 )Jmol

Balance de Energía

QCp=-5O1?E?0=0

tili<ando 4olimath

d"F$Jd"$ = ") K "- E F$ K T$ J "v0 K "- O F$ K T0$F"0$ = 0T = ?50 O 500 K Fv0 = 10T0 = ?50) = 0.-// K exp"/-?00 J G./-? K "- J T0 E - J T$$"0$ = 0"7$ = ?5



1* Peso de cataliador en un C=R

CSTR=/.?1D*c* Pregunta

El peso de cataliador en un reactor PFR para las !is!as condiciones es !a6or o

!enor

Se reali<a esta pre*unta debido a que se debe investi*ar qu es lo más óptimo paraahorrar el *asto de catali<ador si usar un 4R o un CSTR.d*

U=0.0-tili<ando 4olimath

d"F$Jd"$ = ) J v0 K "- E F$ J "- O F$ K T0 J T K 4 J 40

F"0$ = 0d"4$Jd"$ = Ealpha J 1 K "T J T0$ K 40 V 1 J 4 K "- O F$4"0$ = -.0-/3O0T = ?50 O 500 K v0 = 10T0 = ?50) = 0.-// K exp"/-?00 J G./-? K "- J T0 E - J T$$40 = -0-/150alpha = 0.0-"0$ = 0"7$ = -



PROBLEMA ';



P8-';3 La reacci0n endotr!ica irreersi1le en ?ase apor siguiente responde a una

le6 de elocidad ele!ental3

W se e?ectNa adia1.tica!ente en un PFR de >;; d!X&3 La especie A se ali!enta alreactor a ra0n de '; !olI!in 6 presi0n de : at!3 =a!1in se ali!enta una corriente

inerte de : at!" co!o se !uestra en la ?igura P8-';3 La te!peratura de entrada de

a!1as corrientes es de '';; K3

a$ 4rimero obten*a una e#presión para (

b$ &ibue los per7iles de conversión ( temperatura para el caso en el que no ha( presente productos inertes. sando una línea de *uiones, dibue los per7iles cuandose a*re*a una cantidad moderada de inertes. Con una línea punteada, dibue los per7iles cuando se a*re*a una *ran cantidad de inertes. &ibue o *ra7ique la

conversión de alida en 7unión de . 4uede emplear dia*ramas cualitativos.

c$ 6:a( al*una proporción de inertes respecto al 7luo molar de entrada de A "es decir, a la cual la conversión alcance un má#imoH 3#plique

por qu se produce o no se produce ese má#imo.

d$ Repita los incisos "b$ ( "c$ para una reacción e#otrmica

e$ Repita los incisos "b$ ( "c$ para una reacción endotrmica de se*undo orden.

7$ Repita los incisos "b$ ( "c$ para una reacción reversible e#otrmica "Dc=1dmV/Jmola --00D$

In7ormación adicional%D=e#p"/?,/? E/?,111JT$ dmV/Jmol min Cp = 100 Jmol D "T en *rados Delvin$CpA=-0 Jmol D Cp9=0 Jmol D CpC=G0 Jmol D Q:RF=G0000Jmol



"a$

"b$ 9alance 'olar

2e( de la velocidad

3stequiometría

Resultados o1tenidos de pol6!at/



Ecuaci0n di?erencial

d"F$Jd"L$ = Era J aoF"0$ = 0

Ecuaciones explícitas

Cao = 1 J 0.0G1 J --00Cio = Caotheta = -00ao = -0Cao- = "Cao O Cio$ J "theta O -$e = - J "- O theta$To = --00d:r# = G0000Cpa = -0Cpi = 100T = "F K "Ed:r#$ O "Cpa O theta K Cpi$ K To$ J "Cpa O theta K Cpi$) = exp"/?./? E /?111 J T$ra = E) K Cao- K "- E F$ K To J "- O e K F$ J TL"0$ = 0L"7$ = 500



Representaci0n r.?ica

Conersi0n s Solu!en



=e!peratura s Solu!en



"c$ :a( un má#imo a W=G. 3sto es porque cuando W es pequeXo, aXadiendo inertes, semantiene la baa temperatura para 7avorecer la reacción endotrmica. Como Waumenta más allá de G, ha( muchos más inertes que reactivos, de modo que la le( develocidad se convierte en el 7actor limitante.

"d$ 3l Bnico cambio en el códi*o 4ol(math de la parte "b$ es que el calor de la reacción

cambia de si*no.2a conversión má#ima se produce a valores baos de theta debido a que la reacciónes e#otrmica ahora. 3ste si*ni7ica que el calor se *enera durante la reacción ( noha( nin*una ventaa para la adición de *ases inertes como en el caso endtermic.

Conversión vs Lolumen

Temperatura vs Lolumen

"e$ Se necesita alterar ciertas ecuaciones de la parte "c$, como Yr A=)CA1 ( CA0=-.

3n este caso el má#imo se encuentra en W=5.



"7$ >ecesitamos alterar las ecuaciones de la parte "c$ como Yr A=)"CAEC9CCJD C$.Sabemos que CA=CA0"-EF$J"-OPF$K"ToJT$. Ahora necesitamos e#presiones para C9

( CC. &e la estequiometía podemos ver que C9 = CC. 3n trminos de CA

encontramos que% C9 = CC= CA0"FJ-OPF$ K"ToJT$.Tambin necesitamos una ecuación para

Cuando in*resamos esto en el pro*rama obtenemos que la má#ima conversiónalcan<a un valor de apro#imadamente G.

PROBLEMA ':

P8-':. La reacci0n en ?ase lí2uida

AB C

igue una le6 de elocidad ele!ental 6 tiene lugar en un C=R de ' !&" en el cual el

?lujo olu!trico es de ;3> m3 /min 6 la concentraci0n de entrada de A es ' M. Cuando

la reacci0n se realia isotr!ica!ente a &;; K" con una ali!entaci0n e2ui!olar de A 6

B" la conersi0n es del :;93 Cuando la reacci0n se e?ectNa adia1.tica!ente" la

te!peratura de salida es de &>; K W la conersi0n es del 4;93 Las capacidadescalorí?icas de A" B W C son de :>" &> W H; J/mol Y K" respectia!ente3 e propone

agregar un segundo C=R del !is!o ta!a5o en serie 6a la salida del pri!ero3 Ua6

un interca!1iador de calor unido al segundo C=R con VA J 43; TI!in3 K" W el

lí2uido en?riador entra 6 sale del reactor pr.ctica!ente a la !is!a te!peratura" 2ue

es de &>; K3

"a$ 6Cuál es la velocidad de eliminación de calor necesaria para operación isotrmicaH

4ara encontrar la velocidad de eliminación de calor necesaria, empe<amos con la ecuaciónisotrmica de balance de ener*ía.



Consideramos s=0.

Z para una operación isotrmica T=ToSimpli7icamos el balance de ener*ía usando esta in7ormación

&ebido a que no conocemos el onsideramos ahora la operación adiabática

donde

[=0 ( s=0

&ebido a que la alimentación es equimolar

Ahora volvemos al caso isotrmico

"b$ 6Cuál es la conversión en la salida del se*undo reactorH3mpe<amos con el balance de ener*ía para el se*undo CSTR

&e esta ecuación se desconoce T ( F1 necesitamos entonces otra ecuación obtenida de balance de masa para el se*undo reactor.



&e esta ecuación no conocemos ), pero sabemos que ) es 7unción de temperatura, entonces para calcular la ener*ía de activación calculamos con la ecuación de balance isotrmico ( el balance de masa del reactor -.

Resolviendo la ecuación para /00 ( /50 D tenemos%D"/00D$=0,000-515D"/50D$=0,0005555

Introduciendo estos valores en la ecuación de Arrhenius

Resultados%

T=/1,G

F1=0,?1

D=/,/K-0E?

Cao=-000

ao=500

Ra=E--0,/



"c$ 6Cuál sería la conversión si el se*undo CSTR 7uese rempla<ado por un 4R de - m / conVa = -0 )Jm/ \ min. D Z Ta = /00 DH

Era=)CaCb



"d$ n químico su*iere que a temperaturas superiores a /G0 D, la reacción inversa no esdespreciable. &esde el punto de vista termodinámico, sabemos que a /50 D, Kc =1dm/7mol. 6[u conversión podrá lo*rarse si la temperatura de entrada al 4R del inciso "c$es de /50 DH



"e$ Repita el inciso "c$ asumiendo que la reacción se reali<a totalmente en 7ase *aseosa"mismas constantes para la reacción$ con CT@ = 01 molJdm/.



PROBLEMA '4

P8-'43 En la ?igura 8-8 se !uestra la tra6ectoria de conersi0n de la te!peratura

contra la conersi0n para una cadena de reactores con calenta!iento entre etapas por

in6ecci0n de la corriente de ali!entaci0n en tres porciones e2uitatias" co!o se

!uestra en el diagra!a3

&ibue las tra(ectorias de temperatura contra conversión para %a* una reacción endotrmicacon las temperaturas de entrada que se indican ( %1* una reacción e#otrmica con lastemperaturas hacia ( del primer reactor invertidas, es decir, T0= ?50+C.

OLCOG Parte %a*

4ara el primer reactor%

4ara el se*undo reactor

4ara el tercer reactor

3ntonces,



2a pendiente es ahora ne*ativa

Alimentación para el reactor /%

"

Alimentación para el reactor 1 es "510O?50$J1=?G5 D

Alimentación para el reactor / es ?G0 D

'oles de

3sbo<o%

OLCOG Parte %1*



2a misma con7i*uración ( ecuación de la parte "a$ pueden ser usadas. 2a temperatura deentrada para el reactor - es ahora ?50 D la de salida es 510 D. Cuando las dos corrientes seunen antes de entrar al reactor 1 la temperatura es "510O?50$J1= ?G5 D

Respecto a la temperatura de salida para el reactor 1 es 5-0 D. 3ntonces la temperatura parael reactor / podría ser "5-0O5-0O?50$J/=?0 D

4ara cualquier reactor ,

Z para el reactor -=0. 4ara el reactor 1, . 3sto si*ni7ica que la

pendiente de la línea conversión que parte del balance de ener*ía es ma(or para el reactor 1

que para el reactor -. Z similarmente para el reactor /] para el reactor 1.

3ntonces las línea de conversión en el reactor / podría ser más pronunciada que para elreactor 1. 3l balance de masa de las ecuaciones son las mismas tanto en la parte "b$ ( así el*rá7ico de la conversión de equilibrio decrecería desde el reactor - hasta el reactor 1,ei*ualmente desde el reactor 1 hasta el reactor /.

Es1oo



PROBLEMA 'H

P8-'H3 La reacci0n de pri!er orden irreersi1le exotr!ica en la ?ase lí2uida se

e?ectNa en un cstr con c/a2ueta la especie a 6 el inerte 6 se ali!entan el rector en

cantidades e2ui!olares3 el ?lujo !olar de ali!entaci0n de A 8;!olI!in3

#atos+

Resoluci0n

3cuaciones usadas en 3#cel

8T=Ed:KF

F39="tKD$J"-OtKD$D=".J-000$Kexp""3JR$K"-J/50E-JT$$



R="-GJ-00$3=?0000d:=E500)-="J-0000$

RT=Cp0K"-O)a$K"TETc$Cp0="0.5J0.5$K10O"0.5J0.5$K/0=50

)a=1

Tc=")aKTaOT0$J"-O)a$F39=Cp0K"-O)a$K"TETc$JEd:

a* Cu.l es la te!peratura del reactor para la te!peratura de ali!entaci0n de 4>;

1* gr.?ica te!peratura del reactor en ?unci0n de la te!peratura de ali!entaci0n



A 2u te!peratura de entrada de1e calentarse el lí2uido para 2ue el reactor 0pera

conersi0n alta

Cu.l ser. la conersi0n si calenta!os el lí2uido > grados por enci!a de la

te!peratura del inciso c 6 despus la en?ria!os a :; grados centígrados

Cu.l es la te!peratura de extinci0n de entrada parece siste!a de reacci0n

T=/5

PROBLEMA '8

P8-'83 La reacci0n ele!ental reersi1le en ?ase lí2uida

A B

e llea a ca1o en un C=R con interca!1iador de calor3 e introduce A puro al

reactor3

Informaci6n adicional:A J /00 calJmin^ D CPA J CPa J ?0 calJmol^ D

QURx J EG0,000 calJmol AKe2 J -00 at ?00 D J - minE l a ?00 D =a!1 J /+CEIR J 10,000 D SJ-0dm/o J - dm/JminF Ao J -0 molJ min=ali! J /+C



a* Encuentre una expresi0n %o un conjunto de expresiones* para calcular G(T en

?unci0n del calor de reacci0n" la constante de e2uili1rio" la te!peratura" etctera3

Muestre un eje!plo de c.lculo para G(T a T J 4;; K3

_

1* Cu.les son las te!peraturas en estado estacionario (!es"#es$a: &';" &))" 4'8 K*3



c* Cu.les estados estacionarios son esta1les local!ente

2os estados estacionarios localmente son /-0+D ( ?-G.5+D

%d* Cu.l es la conersi0n 2ue corresponde al estado estacionario superior

e* Saríe la te!peratura a!1iente Ta 6 constru6a una gr.?ica de la te!peratura del

reactor en ?unci0n de Ta, identi?icando la te!peratura de ignici0n 6 extinci0n3

8rá7ico eE-% Treactor=7"Ta$



3l

si*uiente *rá7icodemuestra la 7orma

de encontrar lastemperaturas dee#tinción ei*nición

T i*nición=/5G+D T e#tinción= 10G+D

?* i el interca!1iador

de calor del reactor?alla

repentina!ente

%es decir" %A J O*"

cu.les serían la

conersi0n 6 la

te!peratura del

reactor al alcanar el nueo estado estacionario uperior

3n el si*uiente *rá7ico se observa el comportamiento del sistema si el intercambiador decalor 7alla repentinamente. 3l estado estacionario superior en ese caso es de ?/-+D



g* Du producto del interca!1iador de calor" %A, dar. la conersi0n !.xi!a

A una má#ima conversión, 8"T$ tambin alcan<ará su valor má#imo. 3sto ocurre

apro#imadamente a T=?0? +D 8 "?0?+D$=/510 cal.4ara que se cumpla un estado superior estacionario requiere de%R "T$=8"T$

&onde%

Resolviendo el sistema para A%A=?1- calJminJ+D

"i$ 6Cuál es el 7luo volumtrico adiabático, ?

=0.41

j* uponga!os 2ue usted desea operar al estado estacionario !.s 1ajo3 Du alores

de par.!etros sugeriría para eitar 2ue la reacci0n se descontrole

9aando el valor de To a Ta o aumentando el valor de A a(udará a mantener a la reaccióncorriendo en el estado estacionario más bao

PROBLEMA :;

P8-:;3 El siguiente siste!a de reacci0n es usado para llear a ca1o la reacci0n

catalítica reersi1le+

La ali!entaci0n es e2ui!olar para A W B a una te!peratura ='J&;;K3



Anali<a el sistema de reacción para identi7icar problemas para una reacción endotrmica (e#otrmica ( su*iere medidas para corre*ir estos problemas. 4uedes cambiar mp , mc ( aoa lo lar*o del ran*o entre T1 ( T/.

A$ Reacción e#otrmica. 2a conversión esperada ( la temperatura de salida deben ser F=0,5 ( T=?00D. &esa7ortunadamente esto se encontró en seis casos di7erentes%

Caso -% F=0,0-, T=/05D

Caso 1% F=0,-0, T=550D

Caso /% F=0,10, T=/50D

Caso ?% F=0,50, T=?50D

Caso 5% F=0,0-, T=?00D

Caso % F=0,0/, T=500D

Caso -% 3#isten 7isuras en el precalentador o el catali<ador es ine7iciente.

Caso1% 2a conversión de equilibrio se alcan<ó debido a un problema en el intercambiador de calor.

Caso /% isuras en el precalentador o el catali<ador es ine7iciente.

Caso ?% 2a conversión de equilibrio se alcan<ó debido a un problema en el intercambiador de calor.

Caso 5% 3l catali<ador es ine7iciente.

Caso % 2a conversión de equilibrio se alcan<ó debido a un problema en el intercambiador de calor.

9$ Reacción endotrmica. 2a conversión ( temperatura esperada son F=0,5, T=/50D.3sto es lo que se encontró%

Caso -% F=0,?0, T=/10D

Caso 1% F=0,01, T=/?D

Caso /% F=0,001, T=1GD



Caso ?% F=0,1, T=/50D

A G000t -00d: E500 T0 ?50)- 0.00 T- /503 ?0000 R -.G1 3JR 10-1G.G1?5

Ta /00Cp0 50A0 G0) 1Tc /50

R"T$ 8"T$ F="T$ TF `balance demasa` )

E500 0./?01551 E-.0000 /00 ?.5/53E05 ?.5/3E0E000 1.1/50?-G E0.G000 /-0 0.000/?G /.5-?3E0E/50 5G.G0G/ E0.5000 /15 0.00G??/G .--53E05

0 1G-.1-- 0.0000 /50 0./50/- 0.00-100 51G5.0/G5G 0.-00 /5G 0.0?-G-1 0.01/G0?/50 11.0/55 0.5000 /5 0.G1-5? 0./05150-?500 /G0.G-0/? 0.000 /G0 0.G?00G05 0.-G5/000 ?G.5?01G 0.G000 /0 0.5G05/ 1.?051/?500 ?-.?/0GG/ -.0000 ?00 0.GG5?5- G.?1/050 ?1.??0?G -.0100 ?0- 0.G10? .--1-/

-5000 ?.G00- 1.0000 ?50 0.5// 1/?/.G01/

Caso -% 3#isten 7isuras en el precalentador o el catali<ador es ine7iciente.

Caso 1% 3l catali<ador es ine7iciente.

Caso /% isuras en el precalentador o el catali<ador es ine7iciente.

Caso ?% 3l catali<ador es ine7iciente.



PROBLEMA ::

P8-::3 e a a e?ectuar una reacci0n en el e?ectuar una reacci0n en el reactor

e!pacado de la ?igura 8-::3

Los reactios entran al espacio anular entre un tu1o aislado externo 6 un tu1o interno

2ue contiene un cataliador3 Go se e?ectNa reacci0n en la regi0n anular3 Ocurre

trans?erencia de calor entre el gas en este reactor e!pacado 6 el gas 2ue ?lu6e a

contracorriente en el espacio anular a lo largo del reactor3 El coe?iciente total de

trans?erencia de calor es de > I!:ZK3 ra?i2ue la conersi0n 6 la te!peratura en

?unci0n de la longitud del reactor para los datos 2ue se dan en

a El pro1le!a 8-H

1 El pro1le!a 8-( %d*

S@2CI>

Literal a*

ase líquida% AO9 Y] C

9alance de ener*ía

Se asume &=?



3cuaciones di7erenciales

-_ d"T$Jd"L$= "KaK"TaET$O"Era$K"E&hr-$$J"7aoK"cpaOcpb$$

1_ d"F$Jd"L$= EraJ7ao

3cuaciones e#plícitas

-_ Ta= /001_ R = -.GG/_ 3 = -0000?_ Ca0 = 0.-5_ Ca = Ca0 K "- E F$_ Cb = Ca0 K "- E F$_ ) = 0.0- K e#p"E3 J R K "- J T E - J /00$$G_ ra = E) K Ca K Cb

_ Cpb = -5-0_ Cpa = -5--_ 7a0 = 0.1-1_ &hr- = E000-/_ a = --?_ = 0.0-10



Literal 1*

ase 8as% A ==] 9OC

9alance de ener*ía

3cuaciones di7erenciales

d"F$Jd"$ = ErA J v0 J CA0d"T$Jd"$ = "arh0 K "Ta E T$ O rA K 10000$ J v0 J CA0 J ?0

3cuaciones e#plícitas

T0 = ?00) = 0.-// K e#p"/-?00 J G./-? K "- J T0 E - J T$$v0 = 10)r = 0.1 K e#p"5-?00 J G./-? K "- J T0 E - J T$$

arh0 = 5Ta = /1/40 = -0-/150CA0 = 40 J G./-? J T0CA = CA0 K "- E F$ J "- O F$ K T0 J TCC = CA0 K F J "- O F$ K T0 J TC9 = CA0 K F J "- O F$ K T0 J TrA = E") K CA E )r K C9 K CC$



PROBLEMA :H

P8-'H3 El estireno puede producirse a partir de etil1enceno por las siguientes

reacciones+

in e!1argo" ta!1in ocurren arias reacciones secundarias irreersi1les+

VT3 [inder 6 B3 u1ra!ania!" C/e!3 Eng3 ci3" 4(" >>8> %'((4*\3 e ali!enta

etil1enceno a ra0n de ;3;;&44 !olIs a un PFR de '; ! & %reactor e!pacado*" junto

con una corriente inerte a presi0n total de :34 at!3 La proporci0n !olar de

aporIetil1enceno es inicial!ente Ves decir" partes %a* a %c*\ '43>+'" pero puede

ariarse3 #ados los siguientes datos" encuentre los ?lujos !olares de salida de estireno"

1enceno 6 tolueno" junto con para las siguientes te!peraturas de entrada

cuando el reactor se opera adia1.tica!ente3

a To = G00 D

1 To = /0 D

c To = --00 D

d 3ncuentre la temperatura ideal de entrada para la producción de estireno para una

proporción de vapor Jetilbenceno de 5G%-. (Sugerencia 8ra7ique el 7luo molar de

estireno contra To 3# plique por qu la curva tiene esa apariencia$.

e 3ncuentr e la proporción ideal de vapor Jetilbenceno para producir estireno a 00 D .

!Su ger encia Lea el inciso "d$_.

? Se propone a*re*ar un intercambiador de calor a contracorriente con "a = -00)Jm/Jni.inJD , donde T a es prácticamente constante a -000 D . 4ara una pro porción

entre corriente de entrada ( etilbenceno de 10 , 6qu temperatura de entrada su*eriría

ustedH 8ra7ique los 7luos molar es ( S Sr # $T .

g 6Cuál cree que es el obetivo de este problemaH

/ ormule otra pre*unta o su*iera otro cálculo que puedan reali<arse respecto de este

problema.



I nformaci &n adicional:

Capacidades calorí?icas

'etano G Jmol . D

3tileno 0 Jmol . D

9enceno 10- Jmol . D

Tolueno 1? Jmol . D 3stireno 1/ Jmol . D

3tilbenceno 1 Jmol . D

:idró*eno /0 Jmol . D

Lapor ?0 Jmol D

p = 1-/ )*Jm/ de partículas

= 0.?

f:R#-39 = --G ,000 DJ)mol de etilbenceno

f:R#139 = -05 ,100 DJ)mol de etilbenceno

f:R#/39 = E5/,00 DJ)mol de etilbenceno

%1 = E -./?

%& = E-./01 F -0?

%' = 5.05-

%4 = E 1./-? F -0E -0

% = -./01 F -0E

%) = E?./- F -0E /

2as le(es de velocidad cintica para la 7ormación de estireno "St$, benceno "9$ ( tolueno

"T$, respectivamente, son las si*uientes. "39 = etilbenceno$.

2a temperatura se da en Delvins.



oluci0n+

'AAN)* M+A! A!A * -!

!*A)I+N* * -%J+r A= Er -s Y r 19 Y r /T

r 9 = r -s

r C = r -s E r /T

r & = r 19

r 3 = r 19

r = r /T

*T*0%I+M*T!1A



'AAN)* * *N*!G1A

+%)I2N *N +MAT4

Ecuaciones #i?erenciales

'd"7a$Jd"L$ = ra

: d"7b$Jd"L$ = rb

& d"7c$Jd"L$ = rc

4 d"7d$Jd"L$ = rd

> d"7e$Jd"L$ = re

H d"77$Jd"L$ = r7

) d"T$Jd"L$ = E"rls K :la O r1b K :1a O r/t K :/a$ J "7a K 1 O 7b K 1/ O 7c K /0 O 7d K

10- O 7e K 0 O 77 K G O 7i K ?0$

8 d"7*$Jd"L$ = r*

Ecuaciones Explícitas

' :la = --G000

: :1a = -05100

& :/a = E5/00

4 p = 1-/> phi = 0.?

H Dl = e#p"E-./? Y "-./01e? J T$ O "5.05- K ln"T$$ O ""E1./-/eE-0 K T O --./01eE$ K T Y

0.00?/-$ K T$

) sr = -?.5

8 7i = sr K 0.00/??

( 7t = 7a O 7b O 7c O 7d O 7e O 77 O 7* O 7i

'; 4a = "7aJ7t$ K 1.?



'' 4b = "7bJ7t$ K 1.?

': 4c = "7cJ7t$ K 1.?

'& r1b = p K "- Y phi$ K e#p"-/.1/1 Y 15000 J T$ K 4a

'4 rd = r1b

'> re = r1b

'H r/t = p K "- Y phi$ K e#p"0.1- Y --000 J T$ K 4a K 4c') r7 = r/t

'8 r* = r/t

'( rls = p K "- Y phi$ K e#p"E0.0G5/ Y -015 J T$ K ""4a Y 4b$ K "4c J Dl$$

:; rb = rls

:' rc = rls Y r/t

:: ra = Erls Y r1b Y r/t

Figura ' ] Reporte Pol6Mat/



=a1la ' ] Reporte de Resultados

estireno ;3;;;8()4

benceno -.03E05tolueno /.5GG3E05SSJ9T -.1

a = J (&; K

Reali<amos el mismo procedimiento que para a$ ( este a su ve< lo repetimos para c$. Con ladi7erencia que en el pro*rama 4ol('ath cambiamos el valor de T0 a los correspondientesen cada literal.

Se obtienen los si*uientes resultados

=a1la : ] Resultados

= J (&; K = J '';; K

estireno 0,00-/? 0,00-5?/ benceno 0,0001-? 0,00-0tolueno 0.00010/? 0,000-15SSJ9T ?, 0,5

d =e!peratura ideal de entrada para la producci0n de estireno

Figura : ] Flujo Molar de Estireno s =e!peratura

3l valor de la Temperatura ideal es 5 D

e Proporci0n ideal de aporIetil1enceno

Figura & ] Proporci0n deal del Estireno



?

A una temperatura de -000 D Z el valor de a = -00 )JminKD Se @btienen los si*uientes *rá7icos%

Figura 4 ] Resultados enerales

Fogler Cap 8

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