balanç de matèria i energia (2014)

Ejercicio Catalán
Universidad Universidad de Barcelona (UB)
Grado Biotecnología - 1º curso
Asignatura enginyeria química
Año del apunte 2014
Páginas 7
Fecha de subida 05/10/2014
Descargas 10
Subido por

Descripción

exercici

Vista previa del texto

BALANÇOS DE MATÈRIA I ENERGIA ENUNCIAT En una planta de producció de formaldehid, com la que s’esquematitza en la figura adjunta, es produeix 10 kmol/h. El procés es basa en la reacció catalítica següent: CH4 (g) + O2 (g) HCOH (g) + H2 (g) Metà i oxigen purs s’introdueixen en el reactor a 200ºC en quantitats estequiomètriques. En aquestes condicions, es transforma en formaldehid el 25% del metà que entra al reactor. Els gasos que surten del reactor a 300ºC passant per un apartat que separa el formaldehid i l’aigua. El metà i l’oxigen no reaccionats, convenient a 200ºC, es recirculen al reactor.
ENUNCIAT Calcula: a) Els cabals i la composició de cada corrent.
b) El cabal de calor a eliminar en el reactor.
c) La temperatura de sortida dels gasos del reactor si no s’eliminés calor.
DADES: Entalpies de formació a 25ºC (KJ/mol): CH4 (g) = -74,9 ; HCOH (g) = -118,4 ; H2O (g) = -241,9 Calors específics (KJ/Kmol K): CH4 (g) = 40,3 ; HCOH (g) = 38,9 ; H2O (g) = 34,2 ; O2 (g) = 9,8 ENUNCIAT 200ºC CH4, O2 (6) HCHO REACTOR (1) 200ºC CH4 , O2 (2) CH4, O2 SEPARADOR (3) CH4, O2, HCHO, H2O (5) H2O (4) RESOLUCIÓ a) Els cabals i la composició de cada corrent.
En aquest exercici es resoldran primer els balanços de matèria i desprès el balanç d’energia en el reactor.
Donat que hi ha una reacció química, es convenient realitzar els balanços en unitats unitats molars (mol/h).
BASE DE CÀLCUL: w4HCOH = 10kmol/h Balanços globals: BMHCOH: R = w4 · x4HCOH R = 10kmol/h BMH2O: R= w5 · x5H2O w5H2O = 10kmol/h BMCH4: w1 · x1CO w1CH4 = 10kmol/h Sabem que el metà i l'oxigen es troben en quantitats estequiomètriques. A més: w1 = w4 + w5 , per tant: w1O2 = 10 mol/h Balanç en el reactor BMCH4: w2 · x2CH4 = w3 · x3CH4 + R -> w2CH4 – w3CH4 = 10kmol/h Conversió del 25% = (w2CH4 – w3CH4) / w2CH4 = 0’25 w3CH4 = 30kmol/h w2CH4 = 40kmol/h L’oxigen entra al sistema en proporció estequiomètrica amb el metà (1:1), per tant no hi ha la necessitat de plantejar el balanç de l’oxigen: w3O2 = 30kmol/h w2O2 = 40kmol/h BMHCOH: R = w3 · x3HCOH -> w3HCOH = 10kmol/h BMH2O: w5H2O = R = w3H20 = 10kmol/h w2 = w2CH4 + w2O2 = 80 kmol/h = w2 W3 = w3CH4 + w3O2 + w3H2O + w3HCOH = 80kmol/h = w3 Balanç en el separador(no hi ha reacció: R=0, el que entra= surt) BMCH4: w3CH4 = w6CH4 = 30kmol/h (w2CH4 = w1CH4 + w6CH4 ) BMO2: w3O2 = w6O2= 30kmol/h BMHCOH: w3HCOH = w4HCOH = 10kmol/h BMH20: w3H2O = w5H2O = 10kmol/h b) El cabal de calor a eliminar en el reactor.
S’ha de plantejar un balanç d’energia en el reactor, considerant que el règim és estacionari, el sistema no és adiabàtic hi ha una reacció química, l’entalpia de reacció del qual pot calcular-se mitjançant la llei de Hess: ΔHr (25ºC gas) = -1·(-74,9)+1·(-118,4)+1·(-241,9)= -285,4 kJ/mol = -285400 kJ/kmol (L’oxigen és un element, per aquesta raó no apareix).
El cabal de calor a retirar del reactor és: 0= ΔHe - ΔHs + ΔHr = 40·40,3(200-25)+40·29,8(200-25)30·40,3(300-25)-30·29,8(300-25)-10·38,9(300-25)10·38,9(300-25)-10·34,2(300-25)-10(-285400)+Q -> Qr= -2565350 kJ/h c) La temperatura de sortida dels gasos del reactor si no s’eliminés calor.
Amb la fórmula anterior, però desconeixent la temperatura final i sense tenir Qr: 0=40·40,3(200-25)+40·29,8(200-25)-30·40,3(T3-25)30·29,8(T3-25)-10·38,9(T3-25)10·34,2(T3-25)-10(-285400) -> T3= 1205ºC ...