154204 Problem a 11

 Actividad 3: Resolución del problema problema nº 13 de la relación relación de PBM con Reacción Reacción Química ESTHER CABRERA MORA - SIMÓN CARLOS CORTÉS SÁNCHEZ - ALFONSO MARÍN MOLERO – - GREGORIO MARTÍNEZ GARCÍA - ÓSCAR J. MARTÍNEZ ZAFRA

PROBLEMA Nº 11: En el proceso Deacon para la producción de Cl  2 2 , una mezcla seca de HCl gas y aire se  pasan por un catalizador caliente que promueve la oxidación de aquel según la siguiente reacción:  2 HCl (g) + ½ O 2 (g) → Cl  2 2 (g) + H 2 O (g) El aire utilizado está en un 30 % de exceso del necesitado teóricamente, y se oxida el 60% del  HCl. Calcúlese: a) Peso de aire aire sumin suministra istrado do por por cada cada Kg. Kg. de de ácido. ácido. b) Composici Composición, ón, en en peso, peso, del del gas que entra entra en el reactor. reactor. c) Compos Composici ición, ón, en en peso, peso, de los los gases gases que que salen salen..

RESOLUCIÓN: Para la resolución del problema se sigue el  procedimiento  procedimiento general de resolución de  problemas de balance balance de materia materia expuesto en clase.

•

1er  y 2º PASO: Diagrama de bloques y definición de corrientes.

VAPOR AGUA C (mol)

H2O ÁCIDO

DHCl (mol)

A (mol)

HCl

REACTOR

GASES SALIDA

DCl (mol) 2

DO (mol) 2

AIRE

DN (mol) 2

B (mol)

21% - O2 79% - N2

•

3er PASO: Base de cálculo. Para elegir la Base de Cálculo utilizaremos el  Algoritmo de Lee, Lee, Christensen y Rudd  una

vez que se hayan obtenido las ecuaciones correspondientes correspondientes a B.M. y datos adicionales. TECNOLOGÍA QUÍMICA – 1º INGENIERÍA INGENIERÍA INDUSTRIAL

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•

 4º PASO: Límites del sistema. Balances de Materia (B.M.) Independientes. El sistema está formado por una sola unidad; el límite será el propio REACTOR. En cuanto a los B.M., se realizarán a átomos (4 distintos H, Cl, O y N) por lo que se

podrán formular 4 B.M. independientes como máximo.

•

B.M. (H):

A = 2 C+ D HCl

ec. (1)

B.M. (Cl):

A = 2 D Cl + DHCl

ec. (2)

B.M. (O2):

0.21 B = ½ C + D O

ec. (3)

B.M. (N2):

0.79 B = D N

ec. (4)

2

2

2

5º PASO: Ecuaciones adicionales. En el enunciado del problema nos proporcionan dos datos adicionales como son el

exceso de aire utilizado y la conversión de la reacción. 0.21 B

% EXCESO →

0.30

=

−

 A 4

ec. (5)

 A 4

%CONVERSIÓN →

•

0.60 =

 A − D HCl 

ec. (6)

 A

6º ,7º y 8º PASO: Compatibilidad del sistema. Resolución. Comprobación de resultados. Tenemos 6 ecuaciones y 7 incógnitas por lo que, eligiendo una base de cálculo

podremos resolver el sistema. Aplicando el Algoritmo correspondiente obtenemos:

Ec -- Incóg

A

(1)

*

(2)

*

(4)

*

(6)

DHCl  DCl  DO  2

 2

DN 

 2

*  *

* *

C *

(3) (5) Orden de eliminación

B

* 

*

*  * 

* 

* B.C. 6º

4º

*  5º

3º

2º

1º

de variables, inverso al orden de resolución de las mismas. TECNOLOGÍA QUÍMICA – 1º INGENIERÍA INDUSTRIAL

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Resolviendo el sistema de forma secuencial obtenemos los siguientes resultados:

Resultados de los Caudales de las Corrientes Base Cálculo A = 100 moles Ec. (5)

B = 154.76 moles

Ec. (6)

DHCl = 40 moles

Ec. (1)

C = 30 moles

Ec. (2)

DCl  = 30 moles

Ec. (3)

DO = 17.5 moles

Ec. (4)

DN = 122.25 moles

 2

 2

 2

P.M. de los compuestos 36.45 HCl  g/mol  Cl  2

70.9 g/mol 

O 2

32 g/mol 

N 2

 28 g/mol 

H 2O

18 g/mol 

RESULTADOS: a) Peso de aire suministrado por cada Kg. de ácido. Como los caudales de las corrientes están calculados en moles debemos obtener la masa de cada corriente en función del peso molecular del compuesto en cuestión, para después poder calcular la relación entre B (aire) y A (ácido).

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Caudales Másicos de las Corrientes Component  Corriente en moles e HCl

Corriente en gramos

HCl

DHCl = 40 moles

A=100·36.45=3645 g B=154.76·(0.21·32+0.79·28)=1040+3423.3=4463.3 g DHCl  =40·36.45=1458 g

H 2O

C = 30 moles

C=30·18=540 g

Cl  2

DCl  = 30 moles

DCl  =30·70.9=2127 g

O 2

DO = 17.5 moles

D O =17.5·32=560 g

N 2

DN = 122.25 moles

D N =122.5·28=3423.3 g

 AIRE

A = 100 moles B = 154.76 moles

 2

 2

 2

 2

 2

 2

4463.3  g  AIRE  3645  g  ÁCIDO

=

 X  1000  g  ÁCIDO

X = 1.225 Kg AIRE / Kg ÁCIDO

b) Composición, en peso, del gas que entra en el reactor. En el reactor entra una mezcla de gases formada por HCL + AIRE (O 2+ N2) 3645 g 

 A

% peso  HCl = A + B = 8108.3 g  ×100 = 45% % peso

O2

% peso  N 

2

=

=

1040 g  8108 .3 g 

3423.3 g  8018.3 g 

×100 = 12.8%

×100 = 42.2%

c) Composición, en peso, de los gases que salen. Del reactor sale una mezcla de gases formada por VAPOR AGUA + HCl + Cl 2 + O2 + N2 % peso  H 

2

O=

C  C  + ∑ D  D HCl 

% peso  HCl = C  +

∑ D

=

=

540 g  8108.3 g  1458 g 

8108.3 g 

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× 100 = 6.66%

× 100 = 18%

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% peso

Cl 2 =

% peso

O2 =

% peso  N 

2

 DCl 2 C  + ∑ D  DO 2

C  + ∑ D

=

 D N 2 C  + ∑ D

=

=

=

2127 g  8108.3 g  560 g 

8108.3 g 

× 100 = 6.9%

3423.3 g  8108.3 g 

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× 100 = 26.23%

× 100 = 42.21%

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