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UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA

Balance de Materia y Energía Tarea 3 GRUPO 2: María de África Cuadro Casi – Virginia Padrón Santana

SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA

8.2 Calcule los calores de formación de los siguientes compuestos, utilizando datos de calores de combustión estándar. a) b) c) d) e) f) g)

Benceno, C6H6 (l); Éter dietílico, C2H5OC2H5 (l); n-Hexano (l); Carbono (grafito); Hidrógeno, H2 (g); Ácido sulfhídrico, H2S (g); Metilamina, CH3NH2 (l);

⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄

Los calores de formación pueden hallarse a través de los calores combustión ayudándonos de la Ley de Hess sabiendo que el calor formación es igual a la suma de la estequiometría por el calor combustión de cada reactivo menos a la estequiometría por el calor combustión de los productos. Procediendo así obtenemos:

de de de de

a) Benceno, C6H6 (l).

b) Éter dietílico, C2H5OC2H5 (l). ⁄

c) n-Hexano (l).

d) Carbono (Grafito).

e) Hidrógeno, H2 (g).

f) Ácido sulfúrico, H2S (g).

1

g) Metilamina, CH3NH2 (l). ⁄

⁄

8.6. Una posible ruta para la fabricación de anilina a partir de nitrobenceno requiere de reducción con hierro, en medio ácido, en fase líquida.

Calcule a partir de los datos proporcionados: a) El calor de reacción estándar. Otro método de fabricación de anilina es a partir de nitrobenceno utilizando reducción con Hidrógeno en fase vapor:

b) Calcule cuál de las dos rutas de reacción desprenderá un calor de reacción mayor. c) Suponiendo que existiera una temperatura T, (300ºC>T>25ºC) a la cual fueran iguales los calores de reacción de las reacciones anteriores, indique címo podría calcularse dicha temperatura. ¿Se dispone de suficiente información para lograrlo? Si Se necesita algo más, ¿qué es? Sabiendo: Calores de formación a 25ºC en kcal/gmol -94,05 -39,56 -99,7 -68,32 -57,80 20,28

2

Calores de vaporización a 25ºC en kcal/gmol 15,08 17,85 Calor de combustión a 50ºC en kcal/gmol, con productos finales CO2(g), H2O(l) y N2(g) -739,0 Capacidades caloríficas en cal/gmol ºC con T en Kelvin 18,0 4,13+0,0064T 9,92+0,032T 4,16+0,1124T 32,83+0,0484T

a 6,73 7,14 6,34 6,46 6,12

b 0,431·10-2 2,64·10-3 10,1·10-3 1,39·10-3 3,17·10-3

c 0,361·10-6 0,046·10-6 -3,42·10-6 -6,9·10-8 -1,0·10-8

donde Cp(cal/gmol ºC)=a+bT+cT2 Solución: a) Calor de reacción estándar a 25ºC

(

Con

los

datos

)

(

(

)

(

ofrecidos

tenemos

todos

)

(

)

) los

valores

de

calores

de

formación a las condiciones indicadas excepto para el . Por ello operamos hasta obtenerlo. Dato:

3

⁄

⁄

⁄ ∑

∑

∫

∫ ∫

∫

∫

∫

∫

⁄

(

)

(

)

(

)

b) Calcularemos el calor de reacción para la segunda reacción. (

)

(

)

(

)

Como tenemos el calor de formación de la anilina y el nitrobenceno en fase líquida con la entalpía de vaporización conseguiremos la fase gas.

4

Comparando entonces los calores desprendidos, la reacción 1 desprende más calor.

c) Si ambas reacciones poseen el mismo calor de reacción para una temperatura específica T lo que hay que hacer es igualar ambas ecuaciones. Se formarían las ecuaciones para calcular el calor de reacción a temperatura T tomando como referencia la temperatura de 25ºC. Con las integrales y operando obtendremos la temperatura buscada. Los datos que nos faltan son los valores de los calores específicos de: 1. El agua líquida a mayor rango como por ejemplo [25-300ºC] 2. El ácido clorhídrico en fase acuosa. 3. Anilina y Nitrobenceno en fase gas 4. Hidrógeno en fase gas. Con ello, todo estaría definido excepto la temperatura y podríamos obtenerla. 8.23 A un reactor catalítico se carga una alimentación que contiene 5 moles de H2 por mol de CO2, a 400ºC y 5 bar. Dentro del reactor ocurren las reacciones:

Con un 90% de conversión de CO2. Si el reactor opera en forma adiabática, y la corriente de descarga está a 400ºC, calcule la composición de la corriente de descarga.

5

𝑑𝑄 𝑑𝑡

H2 CO2 400ºC

1

Productos 400ºC

2

Reactor catalítico

Solución: Hay dos reacciones y el sistema lo compone un reactor con una corriente de entrada y una de salida. Debemos analizar el balance de energía y ver los calores de reacción de ambas reacciones.

No hay acumulación, no se pierde calor porque es un sistema adiabático, tampoco hay trabajo; el problema no comenta datos acerca de la energía cinética y potencial así que son nulos. Lo que nos queda de la ecuación es la entalpía.

A causa de que el sistema mantiene la misma temperatura de entrada y salida y, que es adiabático no existe . Por ello la ecuación queda:

Calculamos los calores de reacción de ambas a 400ºC, con las tablas anexas del Reklaitis.

CO H2O CO2 CH4

a 29,0063 34,0471 19,0223 38,387

b 2,49235E-03 -9,65064E-03 7,96291E-02 -7,36630E-02 ∫

CO H2O CO2 CH4

c -1,86440E-05 3,29983E-05 -7,37067E-05 2,90981E-04 [J/gmol] ∫

12917,98 10119,10 23257,27 -9854,52

d 4,79892E-08 -2,04467E-08 3,74572E-08 -2,63849E-07

e -2,87266E-11 4,30228E-12 -8,13304E-12 8,00679E-11

[kJ/gmol]

12,92 10,12 23,26 -9,85

6

(

∫

1.

)

a.

b. ∫

(

) ⁄ ∫

2.

(

)

a.

b. ∫

(

) ⁄

3.

La base de cálculo es de 1 gmol para la reacción 1, siendo r1 los moles de CO2 resultantes de la primera reacción de la forma: y, r2 los moles de CO resultantes de la segunda reacción.



Balances:

Como seguimos la recomendación de la alimentación, la entrada será:

Dióxido de Carbono (CO2):

7

CO tras la primera reacción:

Conversión en la segunda reacción:

Metano (CH4):

Hidrógeno tras la primera reacción:

Agua tras la primera reacción:

Agua en la salida:

Hidrógeno a la salida:

Comprobamos: Entrada

Salida

CO2 H2

1,0 5,0

SUMA

6,0

CO2 CO CH4 H2O H2 SUMA

0,1 0,594 0,306 1,206 3,794 6,000

8