Informe Final Semilotes Grupo 9 Ing PQ Seccion U Trayecto IV

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Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior

Instituto Universitario de Tecnología

Dr. Federico Rivero Palacio

Región Capital

Cátedra: Ingeniería de las Reacciones Químicas

Problema Nº 2

SEMILOTES

Participantes:

Cena Jessy

Cena Fanny

Sánchez Meivis

Silgado Julia

Méndez Franklin

Profesor: Ing. Ali González

Los Salías Enero 2012



Una reacción irreversible de primer orden en fase líquida es llevada a cabo en un reactor

tipo tanque agitado operando en semilotes.

R1 + R2 ----------------- P

La constante de velocidad de reacción viene dada por:

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

La carga inicial del reactor tiene una composición másica de 80% de R2 y el resto de un

componente inerte y una densidad de 1.200 g/cm3

Pesos moleculares (g/mol): R1: 100,R2: 120 , I: 18, P: 220

Calor específico (cal/mol K): R1, R2 y P: 50Inerte: 18

HR = -4600 cal / gmol , independiente de T

Fluido de enfriamiento agua. Asumir U = 100 cal /s m2 K

Para establecer la temperatura de operación se recomienda iniciar la simulación con To =

40 °C. La solución comienza a evaporarse a partir de 85 °C, por lo que se debe evitar

operar a esta temperatura.

PARTE 1(1 hora): Realizar los primeros tres pasos para la simulación y diseño de

ractores químicos.

1. Caracterización básica del proceso

2. Organización, ajuste y consolidación de los datos:

Fijar sistema de unidades a trabajar. Ordenar la data directa y determinar los datos

indirectos. Establecer para la Reacción: Reactivos, ,Inertes.Variables

dependientes de entrada, To, Te, Po, Co, Cio, Ceo. Parámetros de entrada: Qo, Fo,

Fio,xoi o yoi, xei o yei. Determinar reactivo limitante. A. Estandarizar la (s)

reacción (es). Cinética de reacción: Ao, Ea, k(T). Datos termodinámicos. Calor de

reacción: H°i o H°r, Cpi. Requerimientos térmicos.

3. Visualizar o concebir los resultados que se deben obtener:

Realizar un bosquejo de los perfiles de Temperatura, Conversión o Concentración,

y P (si no es despreciable) para los diferentes modos de operación: Isotérmico,

Adiabático, No Isotérmico con calentamiento o enfriamiento.

PARTE 2(Trabajo en grupo para entregar el Martes 29/junio/2010) Solución numérica

empleando MathCad 14: Realizar los siguientes 7 pasos para la simulación y diseño de

reactores químicos.



Para el paso 9 simular solamente Tanque agitado operando en semilotes y comparar la o

las mejores opciones con el reactor tanque agitado operando como CSTR en transitorio.

Caracterización básica del proceso:

QR1

R 1= Reactivo limitante RR1

R R 2 = reactivo en exceso

X XR2= 0.80

XInerte= 0.20

Figura 1. El reactor Semibatch

R1 + R2 ----------------- P

HR = -4600 cal / gmol , Independiente de T ( Reaccion exotérmica)

R1 =Reactivo limitante , R2 =Reactivo en exceso

Modelo ideal de reactor: Tanque Agitado Semilotes

Consideraciones:

Inicialmente tomamos un volumen base de 1 m3 de R2 + inerte (Tanque) debido a

que se considero este valor en referencia a una dimensión real de un tanque, así

como también a la estimación de una producción.

Se definió alimentar solo R1

Criterios de considerados de alimentar solo R1

1.- Se debe alimentar en función del reactivo limitante y no al que se encuentra en

exceso, el problema indica que existe una solución en el tanque de 80% de R2, por

lo que directamente se define como reactivo en exceso. Además que la simulación

está basada en un modelo matemático basado en función del reactivo limitante.

R2 +INERTE



2.- Se pueden tener diferentes combinaciones en la alimentación: alimentar R1 y

R2, o R1 solamente. No obstante hay que considerar que alimentando R2 y R1 y

manteniendo la proporción del tanque (R2 + inerte), se estaría diluyendo el

sistema, y lo que se requiere es el aprovechamiento máximo del reactivo limitante.

Cálculos preliminares

1.- Tomando en cuenta que la densidad de la mezcla es 1,200 gr/cm3 o 1200 kg/m3

ρsolucion: masa solución/ volumen solución

Masa solución: ρsolucion* volumen solución

Masa solución: 1200 kg/m3* 1 m3

Masa solución: 1200 Kg

2.- Tomando en cuenta que el problema nos indica que el 80% másico es R2 y el resto es

inerte (20%)

Masa de R2= 0.8*1200 Kg= 960 Kg

Masa de I= 0.2*1200 Kg= 240 kg

Si n = Masa/ PM

n R1= 960 Kg / 0.120 Kg/mol

n R1= 8000 mol

3.- Se calcula la densidad de R2 con la siguiente ecuación de densidad de una mezcla:

1/ρsolucion = XR2/ρR2 + (1-XR2)/ρInerte

ρR2 =1263 Kg/m3

4.- Determinación de las concentraciones iniciales, tanque y alimentación

CR2 = ρR2/PM R2

CR2 = 1263 Kg/m3/0.12 Kg/mol



CR2 = 10525 mol/m3

Cinerte = ρInerte/PM Inerte

Cinerte = 1000Kg/m3 /0.18Kg/mol

Cinerte = 5555.55 mol/m3

Para determinar la CR1 se requiere conocer la densidad de R1 y para ello se

tomaron en cuenta los siguientes criterios para asumir la densidad de R1

1.- La densidad de R1 a de ser parecida a la densidad de R2 puestos que los mismos son

líquidos.

2.- La densidad de R1 ha de ser menor a la densidad de R2 puesto que el peso molecular

de R1 es menor (100 g/mol) a el de R2 (120 g/mol)

Se asumirá una densidad de R1 considerando los criterios mencionados de 1100

Kg/m3

CR1 = ρR1/PM R1

CR1 = 1100 Kg/m3/ 0.10 Kg/mol

CR1 = 11000mol/m3

Determinación de la masa de R1

Para determinar la masa de R1 , partiendo de la reacción R1 + R2 ----------------- P , por

estequiometria la relación es 1:1, entonces los moles R2 son iguales a los moles de R1

n R1= 8000 mol

Masa = n * PM n = m/PM

Masa R1 = 8000 mol * 0.100 Kg/mol

Masa R1 = 800 Kg

Partiendo de una masa de R1 conocida y una densidad asumida se determina el

volumen de alimentación de R1

Volumen R1 = masa R1/ ρ R1

Volumen R1 = 800 Kg / 1100 Kg/m3

Volumen R1 = 0.7272



INFORME DE AVANCE

Consultoría y Asistencia Técnica

CUYO ALCANCE ES LA EVALUACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO DEPRODUCCIÓN DEL PRODUCTO P A PARTIR DE R1 Y R2

Empresa / Unidad solicitante: IUT Dr. Federico Rivero Palacio

Solicitado por: Ing. Ali González / Dpto. Investigación y Postgrado

Dirección y Teléfono: Km 8 Carretera Panamericana, Caracas. Tel.:0212-6826087

Trabajo solicitado: Diseño básico del reactor para el Proceso deProducción de P por medio de R1 y R2.

Fecha y Lapsos comprendidos: Noviembre 2011 – Febrero 2012.

Técnicas de evaluación(metodología) utilizadas:

Reuniones de Trabajo, Simulación matemáticaempleando MathCad 14 y Rutinas de simulaciónde reactores en fase homogénea, tipo semilotes y

CSTR transitorioEmpresa / Unidad Responsable: Dpto. Procesos Químicos

Personal / Grupo designado: TSU. Cena Fanny,TSU. Cena Jessy, TSU MéndezFranklin, TSU Sánchez Meivis, TSU Silgado Julia.

1. Objetivo

Determinar las mejores opciones y condiciones para el tipo y modelo dereactor que se debe emplear en el Proceso de Producción de P a través de la

reacción de R1 con R2.

2. Actividades ejecutadas

Se realizaron 20 simulaciones efectivas empleando rutinas elaboradas enMathCad14 (archivos adjuntos) y basadas en los modelos de reactores idealesen fase homogénea: 16 simulaciones con el modelo semilotes y una paraCSTR transitorio.

3. Resultados

Modelo Semilotes condición isotérmica

Condició To Te T (seg) Conversi



n ónIsotérmic

a40 40 3600 65.493

Isotérmica

40 40 7200 81.591

Isotérmica 40 40 10800 87.676

Isotérmica

40 40 14400 90.754

Isotérmica

50 50 3600 79.79

Isotérmica

50 50 7200 89.825

Isotérmica

50 50 10800 93.217

Isotérmica

50 50 14400 94.912

Isotérmica

60 60 3600 88.395

Isotérmica

60 60 7200 94.196

Isotérmica

60 60 10800 96.131

Isotérmica

60 60 14400 97.098

Isotérmica

70 70 3600 93

Isotérmica

70 70 7200 96.58

Isotérmica

70 70 10800 97.72

Isotérmica

70 70 14400 98,29

Tabla nº1 Variaciones de temperatura y tiempo

Con este modelo se busca la mejor temperatura de operación del reactorempezando con 40 ºC como lo indica el problema, pero la mejor conversión laobtenemos a 70 ºC logrando una conversión de 96.58 % a 7200 segundos (2h), pero si disminuimos el flujo de alimentación de R1 aumentando el tiempodel caudal nos arroja un error en el modo adiabático por lo tanto trabajamos a7200 segundos (2h).

Modelo Semilotes condición adiabática

Condición

To(ºC)

Te(ºC)

T (Sseg) Conversion(%)

tcritico(se

g)

T critica(ºC)

Adiabática

40 40 3600 98 2552 85

Adiabática

40 40 7200 99 4846 85

Adiabática

40 40 10800 99.6 6923 85



Adiabática

40 40 14400 99.7 9518 85

Adiabática

50 50 3600 99.5 1858 85

Adiabática

50 50 7200 99.6 3499 85

Adiabática

50 50 10800 99.8 5162 85

Adiabática

50 50 14400 99.8 6826 85

Adiabática

60 60 3600 99.6 1274 85

Adiabática

60 60 7200 99.8 2354 85

Adiabática

60 60 10800 99.89 3445 85

Adiabátic

a

60 60 14400 99.9 4421 85

Adiabática

70 70 3600 99 767 85

Adiabática

70 70 7200 99 1368 85

Adiabática

70 70 10800 99 1976 85

Adiabática

70 70 14400 99 2520 85

Tabla nº2 Variaciones de temperatura y tiempo

En esta operación se busca la seguridad al operar el reactor ya que nos

brinda un límite de tiempo para realizar alguna corrección de una falla en elenfriamiento del reactor o cualquier eventualidad, para esta operación sedetermino un tiempo de 1368 segundos (22,8 min), lo cual es un tiemporazonable para resolver cualquier eventualidad. Aquí variamos el tiempo delcaudal de alimentación de R1 desde 3600 segundos hasta 14400 segundos.

Modelo Semilotes Ta constante

Condición To (ºC) Ta1(ºC) Ta2 (ºC) T (seg) Tmax(seg)

Conversión (%)

Taconstante

70 70 70 7200 7200 97.862

Taconstante

70 65 65 7200 7200 97.264

Tabla Nº 3 Variación de temperatura entre To y Ta1

En esta operación buscamos la temperatura optima de Ta1 (entrada del fluidorefrigerante), con las condiciones ya fijadas en el modo isotérmico yadiabático, aquí se obtuvo una temperatura optima de 70 ºC con un delta detemperatura de 0 grados ya que si aumentamos este nos disminuye laconversión deseada y por lo tanto no tenemos la calidad del productodeseada.

Modelo Semilotes Ta variable



Condición

To(ºC) Ta1(ºC)

Ta2(ºC)

Flujo delrefrigeran

te kg/h

t(seg)

T(máxima ºC)

Conversión(%)

Tavariable

70 70 72.8 10000 7200

80.879

98.009

Tavariable 70 70 73.5 8000 7200 81.269 98.046

Tavariable

70 70 74.7 6000 7200

81.936

98.108

Tavariable

70 70 77 4000 7200

83.341

98.231

Tabla nº 4 Variación de flujo del fluido refrigerante

En esta operación buscamos el menor flujo de del fluido refrigerante paragarantizar las condiciones óptimas del proceso y así buscar la economía encuanto a la utilización del refrigerante ya que en otras ocasiones puede serotro más costoso, aquí se consiguió como flujo mínimo 4000 Kg/h con unaconversión de 98,231 %.

Modelo CSTR

Condición

To(ºC)

Ta1(ºC)

Ta2(ºC)

Flujo delrefrigeran

te kg/h

t(seg)

T(máxima ºC)

Conversión(%)

T(max) ºC

Tavariable

70 70 77 4000 7200

110.264

99.831 85

Condición To(ºC)

Te(ºC)

t(critico)

Conversion

(%)

tcritico(se

g)

T critica(ºC)

Adiabática

70 70 655 99.99 390.8 85

El reactor operando en el modelo CSTR en modo ta variable con las mismascondiciones del semilotes arroja un comportamiento de recalentamiento delsistema por lo tanto no se puede operar en este modo sin variar lascondiciones del reactor en cuanto a temperaturas de entrada y flujo de fluidorefrigerante , sin embargo en el modo adiabático arroja un tiempo critico de655 seg , lo que significa un tiempo muy pequeño para trabajar en cualquiereventualidad en el sistema y restablecer las condiciones adecuadas.

4.- Conclusiones y recomendaciones



4.1 Utilizar agua como fluido de enfriamiento.

4.2Operar a una temperatura de 70 º C para alcanzar la conversión máximadeseada del producto en menor tiempo (7200 seg).

4.3 El tiempo para solventar cualquier eventualidad que produzca la caída delreactor en el modo adiabático de 22.8 minutos.

4.4 Las recomendaciones dadas en este informe obedecen a un tanque de 2m3 de capacidad, teniendo en cuenta que se fijo un volumen en el tanque de1m3.

4.5 No se puede operar en las condiciones del semilotes en CSTR, ya que noobtienen condiciones óptimas de operación en Ta variable y adiabático.

Anexos

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