Balance de energía y equilibrio químico Métodos de contribución de grupos

Balance de energía y equilibrio químico

Métodos de contribución de grupos

Angie Murillo¹, Mauricio Tapia¹.

¹Departamento de Ingeniería Química y Ambiental - Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia

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1. Producción de benceno por deshidroalquilación térmica de tolueno

Considere que el objetivo es instalar una planta con capacidad de producción de 50.000 t año-1 de benceno en la que tanto el hidrógeno que se produce en la reacción de producción del difenilo, así como el tolueno que no reaccionó, se mezclan con la alimentación fresca al reactor, esta tiene una relación molar hidrógeno a tolueno de 5:1 y entra a 400 K y 3.500 kPa, la temperatura de operación es de 800 K. Determine la cantidad de calor que se debe adicionar o retirar para operación isotérmica del reactor, la conversión en el equilibrio y el rendimiento máximo a benceno. Desprecie la caída de presión.

Reacciones:

[pic 1]

[pic 2]

Diagrama:

[pic 3][pic 4]

1. Método Joback:

Este primer método usado calcula las propiedades termofísicas y de transporte a partir de información básica de la estructura en función de la suma de los parámetros de grupos funcionales establecidos, asumiendo que no existe interacción entre ellos. Las ecuaciones propuestas por el método [1], para las propiedades requeridas en la solución del problema, son las siguientes:

[pic 5]

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[pic 10]

A continuación, se muestra la determinación de los grupos para las especies analizadas y las propiedades de dichos grupos. [pic 11]

[pic 12]                        [pic 13]                [pic 14][pic 15][pic 16][pic 17]

 [pic 18][pic 19]

A partir de los anteriores datos y las ecuaciones expuestas, se obtuvieron los siguientes resultados. Las propiedades del metano y el hidrogeno, así como los coeficientes de Pitzer, se usaron como los reportados en la literatura [2]:

Con las propiedades determinadas se procedió a calcular las constantes de equilibrio para las reacciones como se muestra a continuación:

[pic 21]

[pic 22]

Donde          ,     y   [pic 23][pic 24][pic 25]

El estado de referencia se fijó cómo 298 k, 1 bar y gas ideal. Finalmente, la capacidad calorífica promedio, la energía libre de Gibbs y el cambio de entalpia de las reacciones junto con las constantes halladas se reportan en la Tabla 3.[pic 26]

Las propiedades en el punto crítico se calcularon con el objetivo de determinar la fugacidad de cada especie en el equilibrio, asumiendo el comportamiento de las sustancias cómo gases reales en solución. Para esto se utilizó la ecuación virial truncada en el segundo coeficiente como se muestra:

[pic 27]    [pic 28]

[pic 29]

Los coeficientes de fugacidad calculados se muestran a continuación:[pic 30]

1. Método Marrero – Gani:

Jorge Marrero y Rafiqul Gani proponen un método basado en el de Constantinou pero que permite realizar estimaciones más precisas y confiables de una gama más amplia de sustancias químicas, incluidos compuestos grandes y complejos, gracias a que la estimación se divide en grupos de diferente orden y se establecen nuevas constantes universales [3]:

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En las ecuaciones planteadas Xi es la propiedad del grupo y Ni el número de veces que aparece en la molécula. El método establece que para agregar una contribución de segundo orden para una molécula compleja esta debe estar primero completamente dividida en grupos de primer orden. Siguiendo esta especificación, se dividieron las moléculas en los grupos propuestos por los autores y se establecieron sus propiedades:[pic 36]

[pic 37]                        [pic 38]                [pic 39][pic 40][pic 41][pic 42][pic 43]

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