Question

En un reactor de mezcla completa, perfectamente aislado térmicamente, tiene lugar una reacción química de primer orden, irreversible, exotérmica y en fase líquida, de la forma:
A1->A2
Con la finalidad de que la temperatura de la mezcla reactante permanezca constante durante todo el período de reacción, se añade a la mezcla, continuamente, un líquido inerte (perfectamente miscible con la mezcla reactante) que actúa como refrigerante. El caudal con que se alimenta el líquido frío se va modificando de acuerdo con las necesidades de refrigeración del sistema. En la figura adjunta se esquematiza la instalación.
Calcular: a) El caudal volumétrico de líquido inerte refrigerante (QV0) al cabo de dos horas de iniciarse la reacción. b) El volumen de la mezcla reactante que hay en el reactor cuando han transcurrido dos horas desde el comienzo del ciclo de reacción.
Datos y notas: Temperatura de reacción: 310 K.
Constante de velocidad de reacción: 1.2X10-4 s-1 (a 310 K).
Temperatura de entrada del líquido inerte: 300 K.
Calor específico de todos los compuestos: 2.1 kJ/kg K.
Densidad de todos los componentes: 800 kg/m3.
Calor de reacción a 310 K: –58000 kJ/kmol de A1.
Inicialmente el reactor solo contiene A1 con una concentración de 8 kmol de A1 /m3.
El reactante A1 ocupa inicialmente (para t = 0) un volumen de reactor de 1.5 m3.

Answer 1

a) El caudal volumétrico de líquido inerte refrigerante (QV0) al cabo de dos horas de iniciarse la reacción es : Qvo(t) = 0.002 m³/seg .

b) El volumen de la mezcla reactante que hay en el reactor cuando han transcurrido dos horas desde el comienzo del ciclo de reacción es: V = 25.5 m³.    

    REACTOR :

   Tipo : RSCTA, isotermo

   Nº de reacciones : 1

   Fase:  líquida

   Balance de energía :

                                                             _  

    ∑Nj*Cpj*dT/dt = Q* + ( To-T)∑Fjo* Cpj+ vk*ΔH⁰k*r*V

   Balance de materia :

     

    Fj - Fjo + dNj/dt  = vj *r*V

  Reacción :

                               A3

  Esquema :   A1    →      A2

  ρj = 800 Kg/m³

   Termodinámica : Exotérmica

                              ΔH⁰₁ = -58000  KJ/Kmol * A₁

                                _

                                Cp₁ = 2.1 KJ/KgºK

    Cinética : r = k*C₁ = 1.2*10^-4*C₁  ( Kmol /m³*seg )

 

    Entrada                                      Reactor

    To = 300ºK                                     T = 310 ºK

     Sólo A₃                                            C₁₀ = 8Kmol*A₁/m³

    Qvo = f(t)                                          Vo = 1.5 m³ para t = 0 seg

                                                              N₁₀ = 8* 1.5 = 12Kmol*A₁

                                                               V = f(t)

   Dando : Qvo  = 0.002 m³/seg   para t = 2 h  .

                 V = 25.5 m³   para t = 2h