Entregable proyecto final Cinética

PROYECTO DE CLASE

Entregable

proyecto final 

Cinética 

INTEGRANTES

Fundación Universidad de América

REACTOR SEMILOTES (FASE LÍQUIDA - REACCIÓN EXOTÉRMICA)

Reproducir el artículo M.D Grau et al, "Batch and semibatch reactor performance for an exothermic reaction", Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Volume 39, Issue 2, 2000, Pages 141-148 (Se encuentra en la carpeta de material didáctico de reactores PFR). Todos deben trabajar el REACTOR SEMILOTES descrito en el artículo, aquí la idea es reproducir los resultados con las condiciones que el artículo plantea, también comparar el modelo matemático que se describe en el artículo con los desarrollos de la clase. 

El tema del artículo de estudio es la solución de un reactor semi lotes adiabático, donde se efectúa una reacción altamente exotérmica en fase líquida entre tiosulfato y peróxido de hidrógeno, descrita a partir de la siguiente ecuación y estequiometría

Na2S2O3+2H2O212 Na2S3O6+12 Na2SO4+2H2O

A+2B12D+12E+2I

1. Dibujo:

2. Datos del problema:

•  Reactor semilotes operación adiabática.
•  Reacción exotérmica.
•  Fase líquida
•  Estado dinámico.
•  Reacción simple, irreversible y no elemental

Condiciones:

- Volumen 5L.

-Ta1=293 K

Tabla 1: Condiciones de funcionamiento del reactor semilotes

Suposiciones:

- Mezclado perfecto.

- Volumen variable.

- Densidad constante.

Preguntas:

Hallar perfil de temperaturas por cada experimento.

Perfiles de concentración experimentales

3. Ecuaciones de Balance

Cálculo de reactivo limite:

CA(0)a=0.8 M1=0.8 M                    CB(0)a=1.2 M2=0.6 M   

Se obtiene que el reactivo límite de la reacción es B, ya que al realizar el cálculo la concentración de A es mayor de B. Además en el reactor, el reactivo B se encuentra adentro y se presenta un flujo del reactivo A constante.

SOLUCIÓN POR MOLES

- Balance de moles 

Para el reactivo límite (B):

rBV=dNBdt     (1)                                     

Balance para A:

FA0+rAV=dNAdt     (2)

Balance para D

rDV=dNDdt     (3)    

Balance para E

rEV=dNEdt     (4)    

Balance para I

ri=dNidt     (5)

- Balance de masa 

m0.=dmdt     (6)        =mV     (7)

Reemplazar (7) en (6)

0V0 .=d(V)dt           0==cte

dVdt=V0 .     (8)

Integrando (8)

VoVdV=V0.0tdt

V=V0 .+V0.t     (9) 

Balance de energía

Reemplazando (15) y (16) en (14) 

Despejando dT/dt en términos de moles o concentración      

   (17)

Se tiene en cuenta la siguiente relación:

NiCpiNRL,0Cpmezcla=mRLCp=VCp                    (18)

Reemplazando (18) en (17)

dTdt=Fio(Tio - T)V+rRL  HºrxnCp+Q.  V  Cp                               (19)

Condiciones de frontera

4. Modelo Matemático:

a.                  Tabla estequiométrica:

Tabla 2: Tabla estequiométrica por especie en términos de moles

No se realiza algoritmo de velocidades netas, porque la reacción de estudio no es de tipo múltiple.

a.                  Cinética:

rB=-kCACB      (25) 

Mediante ley de acción de masa se halla la velocidad de reacción para los demás componentes:

rB-2=rA-1=rD1/2=rE1/2=rI2     

-Velocidad de reacción A

rA=12rB     (26)

-Velocidad de reacción D y E

rD = rE=-14rB     (27)

-Velocidad de reacción de I

rI=-rB     (28)

Constante de velocidad

Mediante Arrhenius, es decir a partir de la siguiente ecuación:

k=k0e-Ea/RT     (29)

Teniendo en cuenta los siguientes valores de bibliografías:

Tabla 3: Valores Arrhenius de la bibliografía

Escogiendo para nuestro caso los valores de Cohen and Spencer, reemplazando (29) se obtiene la siguiente expresión:

k=6.851011m3kmol  se-9200KT

La siguiente ecuación es para hallar la ecuación de conversión:

XB=NB(0) - NBNB(0)       (30)

La siguiente ecuación es para hallar el avance:

i=Ni0-Ni    (31) 

Para hallar la variable concentración, en términos de la variable natural (moles) se utilizan las siguientes expresiones:

CA=NAV 

CB=NBV

CD=NDV

CE=NEV

CI=NIV

Modelo matemático:

Reemplazar (11) en la ecuación de diseño del reactivo limite (1)

rBV=d(NB(0) (XB-1))dt     

rBV=dNB(0) - dNB(0)XBdt     (32)

Luego se deriva (32): 

rBV=-NB(0)dXBdt     (33)

Despejando (33) para quedar en términos de conversión y tiempo

dXBdt=-rB  VNB(0)      (34)

Para hallar finalmente la expresiòn final para el balance de energía se reemplaza (25) en (19):

 dTdt=Fio(Tio - T)V-kCACB  HºrxnCp-Q.  V  Cp     (35)

Solución por concentración:

Por medio del tiempo espacial se calcula la concentración para cada compuesto

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