Toluene reacts to form benzene and
-xylene according to the following reaction:
Toluene may also react with hydrogen in the reactor to form benzene and methane:
In this process, toluene reacts with a fractional conversion of 0.80 , resulting in benzene and xylene yields of 0.505 and 0.495 , respectively. Here yields are defined as moles of component produced/moles of toluene reacted. If the fresh toluene stream, fresh hydrogen stream, and product stream are all at
and 15 bar absolute, determine the heat requirements for the reactor to maintain reaction temperature at
and a pressure of 15 bar absolute in the vapor phase. The fresh feed stream contains
of toluene. Average heat capacities: benzene
, toluene
,
-xylene
( mol K ), methane
, and hydrogen
.
Passo 1
Resumindo o enunciado: temos duas reações simultâneas em fase vapor a
C e 15 bar envolvendo tolueno
:
A conversão fracionária de tolueno é 0,80, e os rendimentos (moles de produto/moles de tolueno reagido) são 0,505 em benzeno e 0,495 em o-xileno. Entra na unidade 225 mol/h de tolueno a
C e sai mistura à mesma temperatura. Precisamos calcular a potência térmica (kJ/h) necessária para manter
C, isto é, a soma dos calores de reação (sensível já zerado, pois tudo está a
C).
Passo 2
Determine a quantidade total de tolueno reagido e os extentes das reações.
A tolueno reagido é
A tolueno reagido é
Sejam
o número de “reais” da reação (1) e
da reação (2). Então:
2 toluenos consumidos em (1) e 1 em (2) totalizam 180 mol/h:
2 toluenos consumidos em (1) e 1 em (2) totalizam 180 mol/h:
O rendimento em benzeno é 0,505, logo saem
de
. Como (1) produz 1 mol de benzeno por 2 toluenos e (2) produz 1 mol por tolueno:
O rendimento em o-xileno é 0,495, e só sai da reação (1):
Logo
Passo 3
Calcule o calor de reação a
C
. Usando entalpias padrão de formação:
Para (1):
(positivo significa endotérmica).
Para (2):
Para (2):
Passo 4
Ajuste para
C (673 K) usando
.
Calcule (valores em J/mo
):
Calcule
A variação de temperatura é
.
Então
Então
Passo 5
Calcule a potência térmica total como
Substituindo
e
:
Como
, é a energia que deve ser fornecida (endotérmico líquido).
Resposta
A potência térmica requerida é aproximadamente
para manter o reator a
C e 15 bar em fase vapor.