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Actividad 3: Resolución del problema nº 13 de la relación de PBM con 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 , 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 O2 (g) → Cl2 (g) + H2 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 suministrado por cada Kg. de ácido. b) Composición, en peso, del gas que entra en el reactor. c) Composición, en peso, de los gases que salen. RESOLUCIÓN: Para la resolución del problema se sigue el procedimiento general de resolución de problemas de balance de materia expuesto en clase. •

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

VAPOR AGUA C (mol) H2O ÁCIDO A (mol) HCl

DHCl (mol)

REACTOR

GASES SALIDA

DCl (mol) 2

DO (mol) 2

AIRE B (mol)

DN (mol) 2

21% - O2 79% - N2

•

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

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

ec. (1)

B.M. (Cl):

A = 2 DCl + DHCl

ec. (2)

B.M. (O2):

0.21 B = ½ C + DO

B.M. (N2):

0.79 B = DN

2

ec. (3)

2

ec. (4)

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. % EXCESO → 0.30 =

0.21B − A 4

%CONVERSIÓN → 0.60 =

•

A 4

ec. (5)

A − DHCl A

ec. (6)

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)

*

C

DHCl

*

* *

(3) (5) Orden de eliminación

B

DCl

2

DO

2

DN

2

*

*

* *

*

* 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 HCl

36.45 g/mol

Cl2

70.9 g/mol

O2

32 g/mol

N2

28 g/mol

H2O

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 e

Corriente en gramos

Corriente en moles

HCl

A = 100 moles

AIRE

B = 154.76 moles

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

H2O

C = 30 moles

C=30·18=540 g

Cl2

DCl = 30 moles

DCl =30·70.9=2127 g

O2

DO = 17.5 moles

DO =17.5·32=560 g

N2

DN = 122.25 moles

DN =122.5·28=3423.3 g

2

2

2

2

2

2

4463.3 g AIRE X = 3645 g ÁCIDO 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 = 8108.3g ×100 = 45% 1040 g

% peso O 2 = 8108.3 g ×100 =12.8% 3423.3 g

% peso N 2 = 8018.3g ×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 C

% peso H 2 O =C + D

∑D

=

540 g × 100 = 6.66% 8108.3g

1458 g

HCl % peso HCl = C + D = 8108.3 g × 100 = 18% ∑

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D

2127 g

D

560 g

D

3423.3 g

Cl 2 % peso Cl 2 = C + D = 8108.3 g × 100 = 26.23% ∑ O2 % peso O2 = C + D = 8108.3g × 100 = 6.9% ∑ N2 % peso N 2 = C + D = 8108.3 g × 100 = 42.21% ∑

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