Reactor Semicontinuo

1. REACTOR SEMICONTINUO

Considerar el caso reactor diseñado para clorar benceno con cloruro férrico como catalizador. El reactor es semibatch conteniendo una carga inicial de benceno puro dentro del cual se alimenta cloro gaseoso a un estado estacionario. El tanque de reacción es operado a presión constante de 2 atm y está equipado con enfriadores para mantener una temperatura de 55oC. El liquido es agitado para dar una mezcla homogénea. La unidad contiene un condensador de reflujo el cual retorna todo el benceno y los clorobencenos vaporizados hacia el reactor mientras que permite que todo el cloruro de hidrógeno generado y el exceso de cloro en el reactor salgan del sistema. Monoclorobenceno, diclororbenceno y triclorobenceno son producidos mediante reacciones en serie siguientes:

[pic 1]

             C6H6      +  Cl2                           C6H5Cl   +   HCl                       (I)

            C6H5Cl    + Cl2                           C6H4Cl2   +   HCl                     (II)

            C6H4Cl2   + Cl2                           C6H3Cl3   +   HCl                    (III)

Las constantes específicas de velocidad de reacción son:

k1 =  510 (lb mol/pie3)-1(h)-1

k2 =  64 (lb mol/pie3)-1(h)-1

k3 =  2.1 (lb mol/pie3)-1(h)-1

Para este reactor semibatch se desea conocer en que tiempo se debe detener la reacción en razón a obtener el máximo rendimiento de  monoclorobenceno.

[pic 2]

La velocidad de alimentación de cloro seco es 1,4 (lbmol de cloro)/(h).(lbmol de benceno inicial cargado)

Se desprecia la retención de liquido y vapor en el condensador de reflujo.

El cambio de volumen de la mezcla reaccionante es despreciable, y el volumen de liquido en el reactor permanece constante e igual 1.46 pies3/lbmol de benceno cargado inicialmente.

El cloruro de hidrógeno tiene una solubilidad despreciable en la mezcla liquida.

El cloro gas alimentado al sistema, inmediatamente ingresa a la solución, pero su solubilidad limite es 0,12 lbmol de cloro/lbmol de benceno inicial, y este valor permanece constante.

Cada reacción es de segundo orden.

Solución

1. Tomando como base:

Benceno alimentado al reactor:  NA0 = 1 mol

1. Moles de los compuestos presentes en el reactor en el tiempo t:

Benceno                     = NA

Monoclorobenceno    = NB

Diclorobenceno         = NC

Triclorobenceno        = ND[pic 3]

TOTAL               NT  = NA + NB + NC + ND + NE                                 (6.25)

NA + NB + NC + ND = 1 mol  (ya que las reacciones son en serie 1 a 1)         (6.26)

1. Total de cloro consumido: Cl2

Para monoclorobenceno (reacción I)  =   NB

Para diclorobenceno (reacción II)      =  2NC

Para triclorobenceno (reacción III)    =  3ND

[pic 4]

Total de cloro consumido         NG     = NB + 2NC + 3ND                         (6.27)

1. Suponiendo Volumen de reacción (V) constante se tiene:

• Velocidad de reacción del benceno

     [pic 5]= –  k1[pic 6]                                                                  (6.28)

      NE = moles de cloro presentes en el sistema

• Velocidades de formación:

[pic 7]=  k1[pic 8] –  [pic 9]                                                 (6.29)  

[pic 10]= [pic 11]   –  [pic 12]                                                     (6.30)

[pic 13]=  [pic 14]                                                                                  (6.31)

• Cloro consumido

[pic 15]= F –  k1[pic 16] –  [pic 17]–  [pic 18]                                 (6.32)

Las Ecs. (6.28) a (6.32) representan el modelo del balance de materiales para el reactor semibatch. Y la Ec. (6.27) sirve para evaluar el consumo neto de Cloro.

5.  Solución  Analítica.

5.1    Reemplazando valores de las constantes de velocidad en las Ecs. (6.28), (6.29), (6.30) y (6.31) y dividiendo las Ecs. (6.29), (6.30) y (6.31) por la Ec. (6.28) para eliminar el tiempo como variable independiente se tiene:

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