Matlab, Balance de energía con reacción química. ITESM CCM

Materia y Energía

24 Jan 202314:44

Summary

TLDREl script del video se centra en resolver un problema de ingeniería química utilizando MATLAB. Se presenta un sistema de reacciones químicas isotérmico a 310°C, involucrando la formación de etanol a partir de etileno y el éter dietético a partir de etanol. El objetivo es calcular la cantidad de calor necesario para mantener una temperatura constante. Se proporcionan datos como la fracción de conversión del etileno y el rendimiento del etanol. El script explica paso a paso cómo establecer la base de cálculo, definir variables, establecer ecuaciones para el balance de materia y energía, y resolver el sistema de ecuaciones en MATLAB. El resultado muestra los flujos molares, avances de reacción y el balance energético, demostrando un enfoque metódico para abordar problemas de ingeniería química.

Takeaways

🔍 El video trata sobre cómo resolver un problema de ingeniería química utilizando MATLAB, específicamente el problema 9.21 del libro de Felder.
📚 Se menciona que el problema ya fue resuelto anteriormente en un video, pero esta vez se aborda utilizando software.
🌡️ El problema involucra dos reacciones químicas en un reactor isotérmico a 310 grados Celsius: la formación de etanol y la formación de éter dietético.
⚗️ Se buscan la cantidad de calor que se debe suministrar o retirar para mantener una temperatura constante.
📊 Se proporcionan datos como la fracción de conversión del etileno y el rendimiento del etanol basado en el consumo de etileno.
🔢 Se establece una base de cálculo de 100 moles/moles por segundo, sin alterar las respuestas.
📉 Se definen las fracciones de conversión y rendimiento utilizando las moles de entrada y salida del reactor.
🧪 Se utiliza el método de avance de reacción para el balance de materia, considerando los coeficientes estequiométricos y el avance de las reacciones.
📝 Se plantean siete ecuaciones en total, incluyendo el balance de materia, la fracción de conversión y el rendimiento, con siete incógnitas.
🤖 Se resuelve el sistema de ecuaciones en MATLAB, obteniendo los flujos molares y el avance de las reacciones.
🔄 Se calcula el balance de energía utilizando el calor de reacción y las entalpías de formación y específicas a presión constante.
📉 Se evalúan las integrales de los polinomios de calor específico para calcular las entalpías a la entrada y salida del reactor.
📊 Se presentan los resultados del balance de materia y energía, incluyendo flujos molares, avances de reacción y calor requerido.

Q & A

¿Qué problema se aborda en el video de MATLAB?
-El problema trata sobre cómo resolver el problema 9.21 del libro de Felder, que involucra dos reacciones químicas en un reactor isotérmico a 310 grados Celsius, y cómo mantener una temperatura constante suministrando o retirando calor.
¿Cuáles son las dos reacciones químicas mencionadas en el script?
-La primera reacción es la formación de etanol a partir del etileno, y la segunda es la formación del éter dietético a partir del etanol.
¿Qué datos se proporcionan para la fracción de conversión del etileno y el rendimiento del etanol?
-Se proporciona una fracción de conversión del etileno de 0.05 y un rendimiento del etanol basado en el consumo del etileno de 0.9.
¿Cómo se define la fracción de conversión del etileno en el script?
-La fracción de conversión del etileno se define como la diferencia entre lo que entra (0.537 de n1) y lo que sale (n2) del reactor, dividido por lo que entra.
¿Cómo se define el rendimiento basado en el consumo del etileno?
-El rendimiento basado en el consumo del etileno se define como la producción de etanol (n3) dividido por lo que se consume del etileno, que es lo que entra menos lo que sale del reactor.
¿Qué es la base de cálculo n1 y cómo se establece en el script?
-La base de cálculo n1 es un valor fijo que se utiliza para calcular el balance de materia. En el script, se establece en 100 moles o moles por segundo.
¿Qué es el método de avance de reacción y cómo se utiliza en el balance de materia?
-El método de avance de reacción es una técnica para resolver balances de materia en reacciones químicas. Se utiliza para calcular las cantidades de compuestos a la entrada y salida del reactor, basándose en los coeficientes estequiométricos y el avance de la reacción.
¿Cuántas ecuaciones se tienen en total para resolver el problema y cuáles son las incógnitas?
-Se tienen siete ecuaciones en total, que incluyen cinco ecuaciones de balance de materia, la fracción de conversión y el rendimiento. Las incógnitas son n2, n3, n4, n5, n6, el avance de reacción 1 y el avance de reacción 2.
¿Cómo se aborda el balance de energía en el script?
-El balance de energía se aborda utilizando el método de calor de reacción, calculando el calor total como la suma del producto de las moles a la salida por sus entalpías menos la suma del producto de las moles a la entrada por sus entalpías, más los cambios en el enthalpy debido a las reacciones.
¿Cómo se calculan las entalpías de los compuestos a la entrada y salida del reactor?
-Las entalpías se calculan utilizando el calor específico a presión constante y un polinomio de la forma a + bt + ct^2 + dt^3, evaluando la integral de este polinomio entre la temperatura de referencia (25 grados Celsius) y la temperatura del reactor.
¿Qué son los Delta H de formación y cómo se utilizan en el cálculo del balance de energía?
-Los Delta H de formación son los cambios en el enthalpy asociados con la formación de los compuestos a partir de sus elementos en su estado más estable. Se utilizan para calcular los cambios en el enthalpy de las reacciones químicas involucradas.
¿Cómo se evalúan las integrales de los polinomios de calor específico para obtener las entalpías?
-Se evalúan las integrales de los polinomios (representados como funciones de integración en MATLAB) entre la temperatura de referencia y la temperatura del reactor, para calcular las entalpías a la entrada y salida.
¿Qué resultados se muestran al final del script?
-Al final del script, se muestran los resultados del balance de materia (avance de reacción uno, avance de reacción dos, y las moles de cada compuesto) y del balance de energía (entalpías de los compuestos a la entrada y salida, Delta H de las reacciones y el calor necesario para mantener la temperatura constante).

Outlines

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😀 Análisis de un problema de reacciones químicas en MATLAB

El primer párrafo presenta un tutorial sobre cómo abordar el problema 9.21 del libro de Felder utilizando MATLAB. Se discute un reactor químico isotérmico que opera a 310 grados Celsius, involucra la formación de etanol a partir del etileno y la formación de éter dietético a partir del etanol. El objetivo es calcular la cantidad de calor que se debe suministrar o retirar para mantener una temperatura constante. Se proporcionan datos como la fracción de conversión del etileno y el rendimiento del etanol. Se utiliza una base de cálculo de 100 moles por segundo y se establece una fracción de conversión del etileno de 0.05 y un rendimiento del etanol de 0.9. Se describe el uso del método de avance de reacción para el balance de materia, y se plantean ecuaciones para el balance de materia y para calcular el avance de las dos reacciones químicas involucradas.

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😉 Configuración y resolución del balance de materia en MATLAB

El segundo párrafo se enfoca en la configuración y resolución del balance de materia dentro de MATLAB. Se detalla cómo introducir las ecuaciones necesarias, utilizando la fracción de conversión y el rendimiento como datos de entrada. Se explica cómo escribir las ecuaciones con doble igualdad y cómo utilizar el punto y coma para controlar la visualización de los pasos de cálculo en MATLAB. Se resuelve el sistema de ecuaciones para encontrar las incógnitas relacionadas con las moles de los compuestos a la entrada y salida del reactor, así como los avances de las reacciones químicas. Se sugiere la posibilidad de personalizar la salida de MATLAB para mostrar solo los resultados de interés y se menciona la importancia de definir correctamente las variables y las ecuaciones para obtener una solución precisa.

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🎓 Cálculo del balance de energía utilizando el calor específico y enthalpías

El tercer párrafo cubre el cálculo del balance de energía para el sistema químico. Se utiliza el método de calor de reacción, tomando como referencia los compuestos en la reacción química a 25 grados Celsius. Se describe el proceso de cálculo del calor total, que incluye la diferencia entre los productos y reactivos en términos de sus enthalpías de formación y los avances de las reacciones químicas. Se introducen las integrales para calcular las enthalpías a temperaturas diferentes a la referencia, utilizando polinomios de calor específico. Se evalúan las integrales para los compuestos involucrados tanto en la entrada como en la salida del reactor, y se presentan los Delta H para las reacciones químicas. Finalmente, se muestra cómo imprimir los resultados del balance de energía, incluyendo las enthalpías calculadas y los Delta H de las reacciones.

Mindmap

Keywords

💡reactor isotérmico

Un reactor isotérmico es un dispositivo que permite llevar a cabo reacciones químicas manteniendo una temperatura constante. En el video, se menciona que el reactor opera a 310 grados Celsius, lo que indica que se trata de un proceso controlado para realizar reacciones químicas específicas, como la formación de etanol y éter dietético.

💡etanol

El etanol es un alcohol que se forma a partir de la hidratación del etileno. En el contexto del video, es un producto de la primera reacción química mencionada, siendo esencial para el proceso de producción de éter dietético. La fracción de conversión del etileno en etanol es un dato clave para el análisis de la reacción.

💡éter dietético

El éter dietético es un compuesto orgánico que se forma a partir del etanol, como indica la segunda reacción química en el script. Es un producto de interés en la síntesis química y su formación es el objetivo de la segunda reacción en el reactor.

💡fracción de conversión

La fracción de conversión se refiere a la proporción de un compuesto reactivo que se transforma en productos en una reacción química. En el video, se menciona que la fracción de conversión del etileno es del 5%, lo que es un dato crucial para calcular el rendimiento de la reacción.

💡rendimiento

El rendimiento de una reacción química es la proporción de los reactivos que se convierte en el producto deseado. En el script, el rendimiento del etanol basado en el consumo de etileno es del 90%, lo que indica la eficiencia con la que se produce etanol en la reacción.

💡método de avance de reacción

Este método es una técnica utilizada para establecer el balance de materia en una reacción química. En el video, se utiliza para calcular las cantidades de compuestos a la entrada y salida del reactor, lo que es fundamental para resolver el problema planteado.

💡balance de materia

El balance de materia es un principio fundamental de la ingeniería química que establece que la cantidad total de materia en un sistema cerrado permanece constante. En el script, se establece un balance de materia para cada compuesto involucrado en las reacciones, lo cual es esencial para determinar las cantidades necesarias para mantener la temperatura constante.

💡calor específico

El calor específico, o CP, es la cantidad de calor requerida para cambiar la temperatura de una unidad de masa de un material en uno grado Celsius. En el video, se utiliza para calcular las entalpías de los compuestos a la entrada y salida del reactor, lo que es crucial para el balance de energía.

💡entalpía

La entalpía es una medida de la energía térmica de un sistema. En el script, se calcula la entalpía de los compuestos en la reacción química para determinar el calor necesario para mantener la temperatura constante en el reactor.

💡Delta H de formación

El Delta H de formación es la cantidad de energía cambiada durante la formación de un compuesto a partir de sus elementos en su estado estándar. En el video, se calcula el Delta H de formación para los reactivos y productos en las reacciones químicas, lo que es esencial para determinar el balance de energía.

💡balance de energía

El balance de energía es un principio que establece que la energía en un sistema cerrado es conservada. En el script, se resuelve un sistema de ecuaciones para determinar el calor que se debe suministrar o retirar del reactor para mantener una temperatura constante, lo cual es fundamental para el funcionamiento eficiente del reactor.

Highlights

El problema 9.21 del felter se revisa para demostrar cómo resolverlo en MATLAB.

Se abordan dos reacciones químicas en un reactor isotérmico a 310 grados Celsius.

La primera reacción es la formación de etanol a partir del etileno.

La segunda reacción es la formación de éter dietético a partir del etanol.

El objetivo es calcular el calor a suministrar o retirar para mantener una temperatura constante.

Se proporcionan datos como la fracción de conversión del etileno y el rendimiento del etanol.

Se establece una base de cálculo de 100 moles como referencia para el cálculo.

Se define la fracción de conversión del etileno y el rendimiento basado en el consumo.

Se utiliza el método de avance de reacción para el balance de materia.

Se plantean ecuaciones para el balance de materia y las fracciones de conversión y rendimiento.

Se resuelve un sistema de ecuaciones en MATLAB para encontrar las incógnitas.

Se definen las variables y se pide a MATLAB que resuelva el sistema.

Se muestra cómo imprimir solamente los resultados de interés en MATLAB.

Se utiliza el método de calor de reacción para el balance de energía.

Se calculan los Delta H de las reacciones utilizando coeficientes y Delta H de formación.

Se integran los polinomios de calor específico para calcular las entalpías.

Se evalúan las integrales para las diferentes temperaturas de interés.

Se presenta la ecuación final para el balance de energía, incluyendo los términos de Delta H y calor.

Se ejecuta el programa en MATLAB y se obtienen los resultados del balance de materia y energía.