DEPARTAMENTO DE PROCESOS QUÍMICOSCURSO: INGENIERÍA DE LA REACCIÓN QUÍMICA

TRAYECTO CUATRO: COHORTE 2011

PROYECTO DE SIMULACIÓN DE REACTORES – TEMA 1 (REVISIÓN)PROFESORES: Ali González y Ramón Quintero

OBJETIVO

El proyecto planteado tiene como propósito la revisión del conocimiento de los modelos ideales de reactores en fase homogénea por carga (batch), tanque agitado con flujo continuo (CSTR) y tubular con flujo pistón (PFR). Para ello se resolverá un diseño conceptual o básico de un reactor químico operando en modo no isotérmico, con una reacción simple en fase homogénea, empleando como herramienta un software de simulación matemática (MathCad) y rutinas de simulación pre-elaboradas (ver archivo electrónico en Mathcad).

FASE GAS: Evaluar solo para reactor tubular con el modelo PFR y determinar condiciones de operación más adecuadas. Seleccionar el termofluido. Estimar el coeficiente de transferencia de calor, U, Fijar Ta según el análisis del caso no isotérmico, Elegir o fijar el diámetro de tubo más adecuado y determinar el número de tubos y su longitud.

FASE LÍQUIDA: Evaluar todos los modelos ideales PFR, Batch, y CSTR. Seleccionar el modelo más apropiado. Seleccionar el termofluido. Estimar el coeficiente de transferencia de calor, U, Fijar Ta según el análisis del caso no isotérmico, Elegir o fijar las dimensiones más apropiadas, diámetro de Tubo o diámetro del tanque, número de tubos o altura del tanque.

CASOS O MODOS DE OPERACIÓN: Simular con los siguientes casos: Isotérmico, Adiabático, No Isotérmico con enfriamiento o calentamiento dependiendo del tipo de reacción (endotérmica o exotérmica).

FORMA DE EJECUCIÓN Y EVALUACIÓN

Las actividades serán evaluadas en forma grupal y para cada uno de los problemas planteados se requiere realizar las siguientes etapas:

PARTE 1: Semana 2-3. Realizar el Diagnóstico y análisis del problemaDIAGNÓSTICO / EVALUACIÓN (20% logros): Trabajo Grupal / Entregar Reporte individual manuscrito.

Realizar el análisis del problema y caracterizar el proceso: Proceso, Variables, Modelos ideales de reactor a utilizar, Balances, Ecuaciones de base y predecir las tendencias para los fenómenos de transporte presente

PARTE 2: Semana 3– 6Desarrollar la rutina. Solución numérica empleando MathCad.DIAGNÓSTICO/EVALUACIÓN (50% logros) : Actividad práctica (TP en Sala de PC / Sala de curso): Oral en grupo o Individual. Rutina(s) de cálculo o Simulación en MathCad: Archivo en Grupo Interrogatorio / Rotación de Roles

PARTE 3: Semana 7-8Análisis de Resultados de la Simulación. Grupo Interrogatorio / Rotación de RolesDIAGNÓSTICO /EVALUACIÓN (30%) : Actividad práctica (TP en Sala de PC): Oral en grupo o Individual Rutina(s) de cálculo o Simulación en MathCad: Archivo en GrupoInforme Técnico. Interrogatorio / Rotación de Roles

PARTE 3: Semana 9Entregar: Informe Técnico presentando en archivo electrónico con el siguiente contenido:

1. Resumen: Indicando la selección y recomendación del tipo de reactor, sus condiciones de operación y dimensiones.2. Análisis de cada caso (Isotérmico, adiabático, Calentamiento, Enfriamiento, entre otros) y dimensiones apropiadas para el reactor seleccionado: Área de transferencia, diámetro y altura del tanque, diámetro del tubo y longitud del tubo, número de tubos3. Anexos A. Problema Planteado. Anexo B: Rutinas de cálculo en MathCad y análisis de cada caso evaluado.

Recursos y herramientas requeridos para realizar un diseño conceptual o básico de un reactor químico, con una reacción simple en fase homogénea:

1. La metodología DIEZ PASOS PARA LA SIMULACIÓN Y DISEÑO DE REACTORES QUÍMICOS EN FASE HOMOGÉNEA. A partir de los modelos ideales de contacto de Mezcla perfecta (Batch, CSTR) y Flujo Pistón (PFR).

2. El software de simulación matemática MathCad 143. Rutinas de simulación pre-elaboradas en Base Conversión para Tanque agitado y Tubular con

los modelos Batch, CSTR, y PFR (ver archivo electrónico en Mathcad).

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UC: INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICASTRAYECTO 4, COHORTE 2011, AÑO 2013TEMA1: Tema 2. Reactores en fase homogénea. Modelo Batch, CSTR, PFR.

ACTIVIDAD 1: PROYECTO GRUPAL

No grupo Apellidos Nombres N Proyecto/ Problema1 CARRILLO RODRIGUEZ CARLOS LUIS 11 DE LA HOZ JORGE 11 GARCIA D'ACHILLE MONICA CAROLINA 11 GUERRA TORRES NOELIA NAGDAN 1 diluida1 LUCERO RIVERO KENY ISOLINA 1 diluida2 BAUSTE LUIS 3 conc2 CALDERON HENDERSON 3 conc 2 OROPEZA LOPEZ YOHANNA CAROLINA 32 RESTREPO MARQUEZ YARAMY ROSELYN 32 ROMERO COLMENARES ANGELIMAR DEL CARMEN 33 ACEVEDO ROSAS GERALDINE ANDREA 53 CAMPOS HUERTA MARIEL DEL CARMEN 53 KOUSSAN SAYED BILAL 53 MORA NAVAS HAROLD ALBERTO 5 conc3 PADILLA GAVIDIA EMELY ROXANNE 5 conc4 CORDOBA RICAURTE DAILY ASENETH 6 diluida4 DAMIANO MAZZA ANA GRACIA 6 diluida4 HERNANDEZ MANGARRE GENESIS ISABEL 6 conc.4 LUGO LUGO JENNIFFER KATHERINNE 6 conc.4 PETITTS GONZALEZ MAIRA GABRIELA ELENA 6 conc.5 RANGEL ANDRADE DAYANA CAROLINA 8 diluida5 RIVAS WILLMER ALEXANDER 8 diluida 5 SOLORZANO MOTTA LUIS ARTURO 85 TORRES GIL WILLBER DAVID 85 YANEZ JASPE CARLOS ALFREDO 86 CODECIDO RIVAS FRANCIS ILIANA 10 6 DA MATA DE GOUVEIA DIANA CAROLINA 10 variar inerte6 MENDOZA MARRERO CRISTHIAM CAROLINA 10 variar inerte6 RODRIGUEZ RIOS YESIS MARIA 107 GONZALEZ PEREZ GABRIEL ALI 17 VARGAS ROSALES ANDREA STEFANIA 18 ARVELO VANESSA 38 HENRIQUEZ ODALIS VANESSA 38 RODRIGUEZ CAÑIZALEZ MAOLY JOSSELYN 39 LARES PAOLA 59 PLAJA BERBESI JOSE MIGUEL 59 SANCHEZ CARLOS 5

10 ALVAREZ GALARRAGA NIEVES YULIBETH 6 conc10 GONZALEZ QUINTERO SORENLIS DEL CARMEN 6 conc10 SALAZAR MARTINEZ ENEIDA MARIELA 6 diluida10 TACURI CORREA NATHALY EUNICE 6 diluida11 GUTIERREZ BRENDA 811 LEBRUN SANTAMARIA SOLANAI YULED 811 MONACO ANDREA 812 BRITO CORDERO YARITZA COROMOTO 10 variar inerte12 ROJAS GARCIA YASMINA 10 variar inerte12 TOVAR CAICEDO LEIDY MELEXI 10 variar inerte

ARTEAGA LENIN 5 concBERRIO TORO ADAN DONOBAN 5 diluidaDIAZ GONZALEZ ELOY ENRIQUE 5 concHERNANDEZ GONZALEZ ROSALBA JENIREE 5 diluidaROMERO LUIS RETIRADO

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PROBLEMA 1 FASE LÍQUIDA

Debe producirse hexametilentetramina (HMT) según la siguiente reacción en fase acuosa:

4 NH3 (sol) + 6 HCOH N4(CH2)6 + 6 H2O

En el caso de una operación con un reactor por carga se tiene 1000 litros de volumen efectivo o capacidad del reactor. Se adiciona una solución amoniacal al 25% en peso de NH3 y 25°C a una solución de formalina que contiene 42% en peso de formaldehído. La temperatura de la solución original formaldehído se aumenta a 50 °C para iniciar la reacción. La temperatura del NH4OH es de 25 °C. El calor de la reacción en fase líquida puede suponerse independiente de la temperatura y de la concentración y tomarse como -960 Btu/lb (-2.23 x l06 J/kg) de hexametilentetramina (HMT).

Si el reactor puede operarse a una temperatura de 100 °C, la velocidad de la reacción es muy rápida, en comparación con la velocidad de la transferencia térmica al exterior. Las temperaturas mayores de 100 °C no son deseables, debido a la vaporización y al aumento de la presión.

Densidad de la solución amoniacal: 0.91 Densidad de la formalina (42%) a 25 °C: 1.10 Calor específico de la mezcla (supuesto constante), Cpsolución: 1.0 Btu/(lb)(°F) o 4.19 kJ/(kg)(K)

Asumir uma cinética de primer orden: -rA= k CA

k = 1.016 x109 e (-14343/RT) , 1/min con Ea en cal/mol

PROBLEMA 2 FASE GAS

Se desea diseñar un reactor de flujo tubular para la producción de butadieno a partir de buteno por medio de la reacción de fase gaseosa: C4H8 C4H6 + H2

La composición de la alimentación es 10 moles de vapor por mol de buteno sin butadieno ni hidrógeno. El reactor opera a 2 atmósferas de presión con una temperatura de entrada (alimentación) de 1200 °F.

La velocidad de reacción corresponde a una ecuación irreversible de primer orden y a continuación se encuentra la data para determinar los parámetros de la ecuación de Arrhenius:

T (K) 922 900 817 855 832k 11.0 4.9 2.04 0.85 0.32

Donde las unidades de k vienen dadas por k = mol g de buteno que ha reaccionado/(h)(l)(atm).

El calor de reacción puede considerarse constante e igual a Hr = 23360 cal/molg. El calor específico de la corriente es constante e igual a 0.5 Btu/lb °R.El reactor opera con un flujo de 10000 mol/h de alimentación

PROBLEMA 3 FASE LÍQUIDA

La reacción entre el tiosulfato de sodio y el peróxido de hidrógeno en solución acuosa diluida es irreversible y de segundo orden con respecto al tiosulfato.

2 NaS2O3 + 4 H2O2 Na2S3O6 + Na2SO4 + 4 H2O

La constante de velocidad es la siguiente función de la temperatura:

k = 1.8 x105 e (-18300/RT) , cm3/mol s

Las concentraciones de alimentación son de 2.04 molg/litro y 4.08 molg/litro de tiosulfato y peróxido de hidrógeno, respectivamente.

Volumen del reactor: 1000 litros para una operación por carga

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Temperatura de alimentación, To: 25 °CCalor de la reacción a 25 °C es H°r = - 131000 cal/mol g.

PROBLEMA 4 FASE GAS

La descomposición de la fosfina en fase gaseosa es irreversible y sigue una reacción de primer orden:4 PH3 P4 + 6 H2

La constante de velocidad de reacción viene dada por:

k = exp (27.94+2 lnT – 43672/T) ; k:s-1 , T: K

La fosfina es alimentada a un reactor tubular a 950 K y 2 atm de presión con un flujo de 1000 kg/min

DATOS:H°R = 23900 J/mol PH3

Cp PH3 = 28.0 + 0.027 T Cp : mol/J K , T : KCp P4 = 25.1 + 0.04 TCp H2 = 30.1

PROBLEMA 5 FASE LÍQUIDA

La hidrólisis en fase líquida de soluciones acuosas diluidas de anhídrido acético es un proceso de segundo orden (e irreversible) indicado por la reacción

(CH3CO)2O + H2O 2CH3COOH

En el caso de una operación con un reactor por carga se emplea un volumen de 200 litros a 15 °C y a una concentración de 0.216 molg/litro.

El calor específico y la densidad de la mezcla reaccionante son constantes e iguales a 0.9 cal/g °C y 1.05 g/cm3. El calor de reacción puede suponerse constante e igual a -50000 cal/molg.

La velocidad de la reacción ha sido investigada en cierto intervalo de temperaturas; los siguientes son algunos resultados típicos:

T (°C) 10 15 25 40k(1/min)

0.0567 0.0806 0.1580 0.380

PROBLEMA 6 FASE LÍQUIDA

Se desea realizar una operación con reacción química mediante una reacción irreversible de primer orden en fase líquida. La densidad de la mezcla es 1.200 g/cm3 y el calor específico de la solución es 0.9 cal/g°C.

En el caso de operación por carga el volumen efectivo del reactor es de 1000 litros y la constante de velocidad de reacción viene dada por:

k = 1.8 x 10 5 exp (-12000/RT) ; k : s-1 , T : K

La solución comienza a evaporarse a partir de 85 °C, por lo que se debe evitar operar a esta temperatura. Se recomienda operar hasta una temperatura no mayor a 80 °C.

HR = -46000 cal / gmol , independiente de T

Cp sol = 0.9 cal /g °C

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PROBLEMA 7 FASE GAS

Se tiene la siguiente reacción en fase gaseosa.

A + 2B C + D

La cinética viene dada por: - rA = k CA CB 0.6 ; k = 15 e (-2500/T)

El reactor es alimentado con una mezcla a 150 °C y 2 atm conteniendo 30% de A, 50% de B y 20% de Inertes. Considerar un flujo de alimentación de 1 mol/s

Datos adicionales:Hr ° = 4000 cal/mol a 293 K ;Cp medios: CpA =10 cal/mol K CpB= 5 cal/mol K

CpC= 8 cal/mol K CpI= 5 cal/mol KCpD= 10 cal/mol K

PROBLEMA 8 FASE LÍQUIDA

Una reacción irreversible en fase líquida de tipo. A B

La cinética viene dada por : - rA = k1( CA - CB /Ke) k1 = 10 e (-2400/T) ; Ke = 10 e ( (4000/T) – (4000/300) )

La alimentación es una mezcla de 80% de A y 20% de inerte

Para una reacción irreversible, se recomienda determinar el perfil de conversión máxima (equilibrio) en función de la temperatura, Xe = Ke/(1+Ke) Hr ° = -8000 cal/mol a 300 K ;Cp medios: CpA =5 cal/mol K CpB= 10 cal/mol K CpI= 10 cal/mol K

En el caso de operación por carga suponga el volumen efectivo del reactor.

PROBLEMA 9 FASE GAS

En un reactor tubular se lleva a cabo una reacción irreversible en fase gas según la siguiente estequiometría:

2 A C + 4 D

El reactivo se descompone mediante una cinética de primer orden y la constante de velocidad de reacción viene dada por:

k = 10 21 exp ( – 43000/ T) ; k:s-1 , T: K

La corriente de alimentación es una mezcla conteniendo 80% de reactivo y 20% de inertes con un flujo de 100 l/h a una temperatura de 800 K y 2 atm de presión.

DATOS adicionales:Entalpías estándar de formación a 298 K(J/mol): HºfA = 55000 HºfC = 10000 HºfD = 10000Calores específicos Cp : mol/J K , T : KCp A = 24.0 + 0.04 T Cp C = 25.0 + 0.06 T Cp D = 30.0 Cp Inerte = 30.1 + 0.02T

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PROBLEMA 10 FASE LÍQUIDA

Una reacción irreversible de en fase líquida es llevada a cabo en un reactor tipo tanque agitado de 1000 litros efectivo, alimentado con 90% de reactivo A diluido en un solvente que puede ser considerado inerte y a una temperatura de 50 ºC.

A 2 P

La cinética viene dada por : - rA = k CA 0.5 k = 10 e (-2000/T) mol/min l mol 0.5

Hr ° = 5000 cal/mol densidad de la solución: 0.8 Peso molecular solución : 60 Cp medios: CpA =5 cal/mol K CpP = 7 cal/mol K CpInerte= 10 cal/mol K

PROBLEMA 11 FASE LÍQUIDA - VAPOR

La producción de aceites secantes por medio de la descomposición de aceite de ricino acetilado, se realiza en base a una reacción de primer orden representada como: -r = k C

Aceite de rícino acetilado(f) CH3COOH(g) + aceite secante(f)

Donde, -r es la velocidad de descomposición, en gramos de acido acético producida por minuto por mililitro, y C es la concentración de ácido acético, en gramos por mililitro, equivalente al aceite de ricino acetilado.

Los datos obtenidos en el intervalo de temperatura de 295 a 340 °C indican una energía de activación de 44500 cal/mol g, en concordancia con la siguiente expresión para la constante de velocidad específica de la reacción, k

Ln k = 35.2 – 44500/R T , T en K y R en cal/mol K

Para una operación por carga, se desea procesar 500 kg de aceite de ricino acetilado.

Se estima que el efecto calorífico endotérmico de esta reacción es 62760 J/mol de vapor de ácido acético. El aceite acetilado que se carga al reactor contiene 0.156 kg del equivalente de ácido acético por kg de aceite. Suponga que el calor específico de la mezcla reaccionante líquida es constante e igual a 2510 J/(kg)(K). La densidad de la solución es 0.90. Suponga que el vapor de ácido acético que se forma sale del reactor a la temperatura de la mezcla reaccionante.

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PROBLEMA Nº 12 MANUFACTURA DE ACIDO SULFURICO (FASE HETEROGÉNEA)

En la fabricación del ácido sulfúrico a partir del azufre, la primera etapa consiste en la combustión del azufre en un horno para formar dióxido de azufre. A continuación, el SO2 es convertido a trióxido de azufre en presencia de un catalizador mediante una reacción en fase heterogénea:

S O2 + 0.5 O2 SO3

El catalizador consista en oxido de vanadio depositado sobre soportado sobre un sólido poroso de forma cilíndrico con un diámetro de 8 mm y una altura de 8 mm con una densidad aparente de 33.8 lb/pie 3. Entre 818 °F y 1029 °F la cinética viene dada por el siguiente modelo :

La alimentación al reactor consiste en una corriente de 4000 lb mol/h con una composición de 15% de SO2, 10 % de O2 y el resto de inertes (principalmente N2).

Datos adicionales:

Fluido de enfriamiento o calentamiento: Se cuenta con aceite Dowterm ATemperatura del fluido: Debe fijarse según los análisis del caso no isotémico Temperatura de entrada Puede establecerse entre 700 °F y 900 °F Porosidad, = 0.45 Densidad a la entrada: = 0.054 lb/pi3

Presión a la entrada : Po = 2 atmViscosidad del aceite: = 0.090 lb/ pie h a 1400 °RCoeficiente de transferencia: U = 10 BTU/ h pie2 °RDensidad del catalizador: c = 33.8 lb/pie3

Kp = exp ( (42 311/RT) –11.24) ; Kp : atm - 0.5 , T : °Rk = exp ( (-176 0008 / T) –(110 ln T ) + 912.8 ) ; k :lb mol SO2 / lb cat s atm , T : °R

Calor de reacción : HR (800 °F)= -42 471 BTU/ lb mol SO2

Cp SO2 = 7.208 +5.633 10-3 T –1.343 10-6 T2

Cp O2 = 5.731 +2.323 10-3 T –4.886 10-7 T2

Cp SO3 = 8.511 +9.517 10-3 T –2.325 10-6 T2

Cp N2 = 6.248 +8.778 10-4 T –2.13 10-8 T

Cp : BTU/ lb mol °R, T: °R

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V2O5

PROBLEMA 13 FASE GAS CON REACCIONES MULTIPLES

Se planea diseñar una planta piloto para la producción de cloruro de alilo. Los reactantes están en una relación de 4 moles de propileno/mol de cloro y entran al reactor a 392 °F. Se puede suponer que la presión es constante e igual a 2 atm.

Flujo de la alimentación: 0.85 mol lb/h

Los reactantes se precalentarán a 392 °F por separado y se mezclarán a la entrada del reactor. A esta baja temperatura, los problemas de explosiones durante el mezclado no son serios.

El reactor está enchaquetado con etilenglicol empleado como termofluido

En el desarrollo básico del proceso se encontró que las tres reacciones principales son la formación del cloruro de alilo.

1. Cl2 + C3H6 CH2 = CH – CH2Cl + HCl

la reacción de adición paralela que produce 1,2-dicloropropano,

2. Cl2 + C3H6 CH2Cl – CH2Cl – CH3y la cloración consecutiva del cloruro de alilo para dar 1,3-dicloro-1-propeno

3. Cl2 + CH2 = CH – CH2C1 - CHCl = CH – CH2C1 + HCl

Para simplificar el tratamiento cinético del problema, se considerarán únicamentelas dos primeras reacciones.

Se han propuesto las siguientes ecuaciones de velocidad.

rl = 206000 e- 27200/R T pCH3CH6 pCl2 (T en °R, r en mollb/pie3 h y p en atm )r2 = 11.7 e- 6870/R T pCH3CH6 pCl2 (T en °R, r en mollb/pie3 h y p en atm )

Reacción 1 Hr1= - 48000 BTU/lbmol a 298 KReacción 2 Hr2= - 79200 BTU/lbmol a 298 K

Calores específicosCp, Btu/(mol lb)(°R)Propileno (g) 25.3Cloro (g) 8.6Cloruro de hidrógeno (g) 1.2Cloruro de alilo (g) 28.01,2-dicloropropano (g) 3 0.7

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