Termodinamica Ejercicio

El benzaldehído se produce a partir de tolueno por la siguiente reacción catalítica:

El aire seco y el vapor de tolueno se mezclan y se alimentan al reactor a 350ºF y 1 atm. El aire se suministra 100% en exceso. Del tolueno que se alimenta al reactor, 13% reacciona para formar benzaldehído y el 0,5% reacciona con el oxígeno para formar CO2 y H2O. Los gases producidos salen del reactor a 379ºFy 1 atm. Se hace circular agua por la camisa que rodea el reactor, y ésta entra a 80ºF y sale a 105ºF. Durante un periodo de prueba de 4 hrs, se condensan 29,3 lbm de agua de los gases producidos. (Puede suponer condensación total). El calor estándar de formación de vapor del benzaldehído es -17200 BTU/lbmol.
a) Calcule las velocidades de flujo volumétrico (pie3/h) de la corriente combinada dealimentación al reactor y del gas producido.
b) Calcule la velocidad requerida de transferencia de calor del reactor (BTU/h) y la velocidad de flujo del agua de enfriamiento (gal/min).

Tarea de Termodinámica II
RXN 1: C6H5CH3 + O2 C6H5CHO + H2O
RXN 2: C6H5CH3 + 9O2 7CO2 + 4 H2O
Por 4 horas se condensan 29.3 lbm de H2O, si se supone condensación total:
29.3 [lbm]4 [horas]=7.325 lbmhrA moles: 7.325[lbmolhr]18 [lbmhr]=0.4069[lbmol]
Balance masa BC:1 hora
Comp. | Entrada | RXN1 | RXN2 | Salida |
C6H5CH3 | X | 0.13*X | 0.005*X | 0.865*X |
O2 | (0.13*X+0.045*X)*2 | 0.13*X | 0.045*X | 0.175*X |
C6H5CHO | - | 0.13*X | - | 0.13*X |
H2O | - | 0.13*X | 0.02*X | 0.13*X+0.02*X |
CO2 | - | - | 0.035*X | 0.035*X |
N2 | 79/21*( 0.35*X) | - | - | 79/21*(0.35*X) |0.13*X+0.02*X=0.4069 X= 2.713 [lbmol]
Remplazando X en la tabla:
Comp. | Entrada | RXN1 | RXN2 | Salida |
C6H5CH3 | 2.713 | 0.353 | 0.014 | 2.347 |
O2 | 0.949 | 0.353 | 0.122 | 0.475 |
C6H5CHO | - | 0.353 | - | 0.353 |
H2O | - | 0.353 | 0.054 | 0.407 |
CO2 | - | - | 0.095 | 0.095 |
N2 | 3.572 | - | - | 3.572 |
De la primera ley de la Termodinámica, sabemos que: Q=∆H.∆H=nk*∆HrƔkrxn1+nk*∆HrƔkrxn2+ ni*hisalida-ni*hi(entrada)
∆Hr=∑(productos)Ɣi*(∆Hfi) - ∑(reactantes)Ɣi*(∆Hfi)
1 (BTUlbmol) = 2.32601 x 10-3(kJmol)
RXN1
∆Hr=1*-17200+1*-241.83/(2.32601*10-3)–1*50/(2.32601*10-3 )– 1*0
=-142663.78
RXN2
∆Hr=∑(productos)Ɣi*(∆Hci) - ∑(reactantes)Ɣi*(∆Hci)
∆Hr=1*-3947.9/(2.32601*10-3)+9*0 – 0 – 0 = -1697284.191
ni*hisalida
hH2O = (∫75.4*10-3 dT(25-100°C)+∫33.46*10-3 +0.688*10-5T+0.76*10-8 T2 -3.593*10-12 T3 dT(100-192.78°C) + 40.656)/(2.32601*10-3)
=21291.1
hCO2 =(∫36.11*10-3 +4.233*10-5 T – 2.887*10-8 T2 +
7.464*10-12 T3 dT(25-192.78°C)) /(2.32601*10-3) = 2908.7
hO2=(∫29.1*10-3+1.158*10-5 T-0.6076*10-8 T2+1.311*10-12 T3 dT(25-192.78°C)) /(2.32601*10-3) = 2183.97
Capacidad Calorífica Media Benzaldehído(l): 46 BTU/lbmol ºF
hC6H5CHO=(∫74.06*10-3+32.95*10-5T-25.2*10-8 T2+77.57*10-12 T3 dT(179-192.78°C) +38.4) /(2.32601*10-3) +∫46dT(77-354.2)
= 30013.1
hC6H5CH3=(∫148.8*10-3+32.4*10-5 T dT(25-110.62°C) + ∫94.18*10-3+38*10-5 T-27.860*10-8 T2+80.33*10-12 T3 dT(110.62-192.78°C) + 33.47) /(2.32601*10-3) = 25816.9
ni*hisalida = 21291.1*0.407 + 2908.7*0.095 + 2183.97*0.475 + 30013.1*0.353 + 25816.9*2.347 = 81166.1 [BTU]

ni*hi(entrada)
hC6H5CH3=(∫94.18*10-3+38*10-5 T-27.860*10-8 T2+80.33*10-12 T3 dT(192.78-110.62°C)+ ∫148.8*10-3+32.4*10-5 T dT(110.62-25°C) - 33.47) /(2.32601*10-3) =-24740.9
hO2=(∫29.1*10-3+1.158*10-5 T-0.6076*10-8 T2+1.311*10-12 T3 dT(176.67-25°C)) /(2.32601*10-3) = -1968.99
hN2 =(∫29*10-3 +0.2199*10-5 T +0.5723*10-8 T2 -2.871*10-12 T3 dT(176.67-25°C) /(2.32601*10-3) = -1909.64
ni*hi(entrada)=2,713∙-24740,9+0.945∙-1968,99+3.572∙-1909,64=-75804 (BTU)
∆H=nk*∆HrƔkrxn1+nk*∆HrƔkrxn2+ ni*hisalida-ni*hi(entrada)
=0.353*-142663.78+0.014*-1697284.191+81166.1-(-75804)
∆H= 82847.8[BTU]=Q

a) Calcule las velocidades de flujo volumétrico (pie3/h) de la corriente combinada de alimentación al reactor y del gas producido.
Si asumimos comportamiento de gas ideal:
PV=nRT
Con P=1atm=14.606 [lb/pulg2]...