FORMATO TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN FORMATIVA
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2016/01/20 !g": # de 7
Carrera: Ingeniería Química Nivel: Séptimo Semestre Asignatura: Ingeniería de las Reacciones I Docente: PhD. Carolina Montero Nombre: Mena Estefanía
Zuma !eniffer Tema: Ejercicios de Reactores.
EJERCICIOS DE REACTORES ATC! ". En un reactor atch se reali"a una reacci#n de primer orden re$ersile en fase lí%uida a
&'(C) seg*n la siguiente este%uiometria+ C A 0 A 0= 0,5 mol / L , ↔ - k 1 ; k 2 Determinar los $alores de las constantes de $elocidad si en & minutos se otiene una con$ersi#n X A del /. 0a con$ersi#n de e%uilirio X AE es 11)2/. Soluci#n:
¿= − 0a cinética es 34 r A k 1 C A k 2 C B Reempla"ando Reempla"ando la ecuaci#n cinética en la ecuaci#n de dise5o del atch+ X A
t6
C A 0
X A
d X A
∫ (−r
A
X A 0
)
=C A 0 ∫ X A 0
d X A k 1 C A −k 2 C B
,sumiendo %ue la constante de e%uilirio es+ 76
[ ] C B
C A
=0
EQ EQ
Integrando con C B 0=0 ) se otiene+ X A
t = C A 0 A 0
∫ k C 1
X A 0 A 0
X A
C A 0 A 0 t = k 1 C A 0 X
d X A
A A 0
( 1 − X A A )
d X A
∫ ( 1− X ) A 0 A 0
A
04
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k 1
8t6
k 1=
ln
[
(
0,33 0,667
X A ,e
−0,667 8 min
ln 1−
1−
X A X A, e
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]
)
−1
k 1= 0,0567 min
En el e%uilirio 3 −r A ¿ 69 0a cinética %uímica es+
(−r A ) =0,0567 C A − k 2 C B k 1∗C A ,e =k 2∗C B , e k 1 k 2
k 1 k 2
=
=
k 2=
C B ,e C A , e
=
X A , e 1− X A , e
0,667 =2 1 −0,667
k 1 2
= 0,02835 min−1
$. 0e:es
: ;htmer estudiaron la formaci#n de acetato de utilo en un reactor atch operando a una temperatura <99( C) con =cido sulf*rico como catali"ador. 0a alimentaci#n original contenía >)?2 moles de utanol por mol de =cido acético) : la concentraci#n del catali"ador era de 9)9@/ en peso de H 2 SO4 . Se encontr# %ue
la siguiente ecuaci#n de $elocidad correlacionaa los datos al usar un eAceso de utanol+ −r A= kC A2 Donde
C A
es la concentraci#n de =cido acético) en moles por m0) : r es la
$elocidad de reacci#n) en moles de =cido %ue desaparece por m0 por minuto. Para
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una relaci#n de utanol a =cido de >)?2) : una concentraci#n de =cido sulf*rico de 9)9@ en peso) la constante de $elocidad de reacci#n era+ 3
17,4 cm k = ( mol )( min )
0as densidades de la me"clas de =cido acético) utanol : acetato de utilo no se conocen. 0os $alores reportados para los tres compuestos a <99(C son+ 3 Bcido acético 6 9)?'& g cm 3 -utanol 6 9)2>@ g cm 3 ,cetato de utilo 6 9)2?1 cm
Si ien la densidad de la me"cla reaccionante $aria con la con$ersi#n) el eAceso de utanol reducir= la magnitud del camio. Como una aproAimaci#n) la densidad de la 3 me"cla se supondr= constante e igual a 9)2' g cm . Calcule el tiempo re%uerido
para otener una con$ersi#n de '9/. Soluci#n:
Reali"ando un alance para el componente , 3 CH 3 COOH 0a $elocidad de reacci#n es+ −r A= kC A2 −r A= kC 2A 0 ( 1− X A )2 EApresando el alance del componente , en funci#n de la con$ersi#n se tiene+ X A
t6
C A 0
d X A
∫ (−r
X A 0
A
0,5
d X A
t = C A 0
=C A 0 ∫
∫ kC
2 A
0
t =
)
0,5
C A 0 2
k C A 0
∫ 0
X A
d X A
( 1− X A )2
X A 0
d X A k 1 C A −k 2 C B
FORMATO TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN FORMATIVA t =
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CH 3 COOH
.
Inicialmente entra 3 CH 3 COOH seg*n la relaci#n+ 4,97
molC 4 H 9 OH mol ( CH 3 COOH )
0a densidad de la me"cla es+ g solucin ρ Mezcla=0,75 3 cm solucin
De lo cual se otiene+ <
mol ( CH 3 COOH )∗0,75
g solucin 3
cm solucin
Di$idiendo la anterior eApresi#n por los g de soluci#n se tiene+ 4,97 molC 4 H 9 OH ∗¿ 60 g CH 3 COOH 1 molCH 3 COOH
74 molC 4 H 9 OH 1 molC 4 H 9 OH
molCH 3 COOH 8
6 %$&'&( g sol.
Se otiene la concentraci#n inicial de CH 3 COOH + C A 0=
0,75 molCH 3 COOH ∗g de solucin 3
427,78 g de solucin ∗cm solucin
C A 0=0,0018
mol cm
3
0a constante de la $elocidad de reacci#n es dato+
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1 k C A 0
Calculo de la concentración inicial de
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3
17,4 cm k = ( mol )( min )
Por tanto reempla"ando en la eApresi#n del tiempo de reacci#n se tiene+ 1 t = k C A 0
t ) *$ min +,ara una conversi#n del -/0 EJERCICIOS DE REACTORES CSTR
Se produFeron cerca de <@.@ mil millones de toneladas métricas de etilenglicol 3EG en el @999) el cual fue el @19. Producto %uímico m=s faricado en la naci#n en ese a5o) con ase en liras gloales. ,proAimadamente la mitad del etilenglicol se emplea como anticongelante : la otra mitad en la manufactura de poliésteres. Dentro de la categoría de poliésteres) el &&/ se us# para firas : el <@/ para manufactura de en$ases : películas. El precio de $enta en el @99> del etilenglicol fue de 9.@& centa$os de d#lar por lira. Se desean producir @99 millones de liras al a5o de etilenglicol. El reactor operar= isotérmicamente. Hna soluci#n de < l molpies de #Aido de etileno 3;E en agua se alimenta al reactor 3de la figura E>4@.< Funto con una soluci#n $olumétricamente igual de agua %ue contiene 9.?/ en peso de catali"ador @S9>. 0a constante específica de $elocidad de reacci#n es de 9.<< min) a Para lograr una con$ersi#n del &9/) determine el $olumen necesario del CSJR
8
!c= 2 X 10
l" ∗1 a#o a#o ∗1 d$a 365 dias ∗1 % 24 % ∗1 l"mol l" mol 60 min =6137 min 62 l"
!c= ! Ao X !c 6.137 l" mol = =7,67 ( 58.0 gmol / s ) ! A 0= 0,8 X min
FORMATO TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN FORMATIVA & =
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−r A
a =¿ k C A −r ¿
C A =
! A '0
! A '0
! A 0 ( 1− X )
=
=
'0
=C A 0 ( 1− X )
! A 0 kC A 0 ( 1− X )
=
' 0 X k ( 1− X )
! AO 7.67 l"mol / min ' A 0= = =7.67 (ies3 /min 3 C A 0 1 l" mol / (ies
(
! B 0= ' B 0 C B 01 = 7.67
) (
)
(ies 3 l" ∗1 l" mal =26.6 1 "mol ) 62.4 3 18 l" min min (ie
' B 0+ ' A 0 = 15,34
' 0 X
3
0.8 =15.34 (ies =197.3 (ies3 '= k ( l− X ) min ( 0.311 min−l )( l − 0.8)
¿ 1480 gal ( 5.6 m 3)
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! A 0 X
C A =
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2016/01/20 !g": ) de 7
0a reacci#n descrita por los datos de la tala A * B
K
9.9 9)>'
9.< 9)2
9.@ 9)9
9.> 9)
9.1 9)<<
9.2 9)92?
9)& 9)9'
1 /−rA ( m s / mol )
3
@)@@
@)29
)
')<
&)&'
<@)2
@9
!Ao ( m 3 ) −rA
9)&?
<)9&
<)
@)9'
)'>
')91
&
3
−rA ( mol / m s )
dee correrse en un reactor CSJR 0a especie , entra al reactor con $elocidad de fluFo molar de 9.> mols. 3a Hsando los datos de la tala @4@) la tala @4 o la figura @4<) calcule el $olumen necesario para lograr una con$ersi#n del &9/ en un CSJR
& =
−1 r A
! A 0 X
=20 m3 )
−r A
s mol 3
mol m s & =0.4 ( 20 )( 0.8 )=6.4 m 3 s mol
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2016/01/20 !g": * de 7
EJERCICIOS DE REACTORES ,1R ". emos
calculado %ue el tama5o de un reactor de fluFo en pist#n necesario para un fin determinado 3??/ de con$ersi#n de la alimentaci#n de , puro era @ litros) suponiendo %ue la este%uiometria era , * R para una reacci#n de primer orden fase gaseosa. Sin emargo) la este%uiometria de la reacci#n es ,
*
R. Calc*lese
el $olumen del reactor necesario para la este%uiometria correcta. Soluci#n:
De la este%uiometria de la reacci#n : la ineAistencia de inertes)
ℇ A
69. Cinética+
34 r A ¿=k ∗C A =k ∗C A 0 ( 1− X A ) De la forma integrada para reacciones irre$ersiles de primer orden se tiene+ k ∗¿ L 6
( 1 + ℇ A ) 8
ℇ A = 0
(
1
k 8L 6 ln 1− X A
)
& L6 Q
( ) = ( ) −
k ∗& 1 = ln Q 1− X A
k ∗32 Q
ln
k = 0,1441 Q
1 1 0,99
ln
(
1 1− X A
)−
ℇ A X A
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2016/01/20 !g": + de 7
Para la reacci#n) , * R) se asume la misma cinética de primer orden) esta $e" el $alor de
ℇ A =
ℇ A
no es cero por lo tanto+
& + = 1−& + = 0 & + = 0
=
3 −1 =2 1
Htili"ando nue$amente la ecuaci#n integrada para reacciones de irre$ersiles de primer orden+ k ∗¿ L 6
( 1 + ℇ A ) 8
ln
(
1 1− X A
)−
ℇ A X A
ℇ A = 2
k 8L 6
( 3 )∗ln
(
1 1− 0,99
)−( ∗
2 0,99 )
& L6 Q
(
)
1 k ∗& = (3 )∗ln −( 1,98 ) 1 −0,99 Q
k ∗& =11,8355 Q & ∗k =11,8355 Q & ∗(0,1441 )=11,8355 & =82,13 L
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2016/01/20 !g": #, de 7
El etileno ocupa el cuarto lugar en Estados Hnidos en lo %ue respecta al total de producto %uímico sinteti"ado al a5o : es el producto %uímico org=nico %ue ocupa el primer lugar de producci#n anual. Se produFeron m=s de '9 mil millones de liras en el @999) %ue se $endieron a 9.@2 centa$os de d#lar por lira. El 12/ del etileno producido se emplea en la faNicaci#n de pl=sticos) el @9/ para #Aido de etileno) el <1/ para icloruro de etileno : etilenglicol) el '/ para firas : el '/ para disol$entes. Determine el $olumen del POR necesario para producir 99 millones de liras de etileno al a5o por desintegraci#n catalítica de una corriente de alimentaci#n de etano puro. 0a reacci#n es irre$ersile : sigue una le: de $elocidad elemental. Se desea lograr una con$ersi#n del &9/ de etano haciendo %ue el reactor funcione isotérmicamente a <<99 7 una presi#n de 1 atm. C 2 H 6 * C 2 H 4 + H 2
l" ∗1 a#o a#o ∗1 d$a 365 d$as ∗1 % 24 % ∗l"mol 3600 s 6 ! B=300∗10 28 l"
¿ 0,340 l"mol / s (
154,4 mol ) s
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X
∫ −dX ra 0
1
S −¿ 1 en 1000 4 r A =k C A con k = 0.072 ¿
[
! ( 1 + -X ) dX =¿ AO ( 1 + - )∈ 1 − ( 1 − X ) ( 1− X ) k C A 0 & =
! AO k C A 0
(
0.73 (ies 3.
∫¿ 0
)
atm mol ,. / ∗1980 . / l"
=0.00415 l") mol ( 0.066 mol / dm 3 ) 3 (ies
C A 0 = 0 A 0 C 1 0 =
- = 0 A 0 3 =( 1 ) ( 1 + 1 −1 )=1
k ( 1 2 )=k ( 1 1 ) exp
[(
k ( 1 2 )=k ( 1 1 ) exp
[ ( )]
[
]
X
6 atm
1 E 1 − / 1 1 1 2
)]
E 1 2−1 1 k ( 1 2 ) / 1 1 1 2
82000 cal gmol ( 1100− 1000 ) 0,072 ¿ exp 1,978 cal s ( gmol) ) ( 1000 ) ( 1100 )
]
0 A 0 2 0 −( 1 )¿ / 1 0
04
2016/01/20 !g": ## de 7
0,34 =0,425 l"mol 0,8 s
& = ! AO
IQ
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¿ 3,07 S−1 0,425 l"mol
s
& = 3,07 S
−1
0.00415
l")mol (ies
[
(1 + 1 ) ∈
1
(1 − X )
]
−1 X
3
0,425 l"mol s (1 + 1 ) ∈ 1 −1∗0,8 & = l")mol (1 −0,8 ) 3,07 S−1 0.00415 3 (ies
[
& =80,7 (ies
3
]
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04
2016/01/20 !g": #$ de 7
