UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD EXPERIMENTAL DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA TE CNOLOGÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA CÁTEDRA DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE REACTORES
1.- Calcúlese la velocidad de reacción cuando C A = 10 mol/litro, si -r A = -dC A /dt = 0,2 mol/litro mol/litro seg cuando C A = 1 mol/litro. Nota: Se desconoce el orden de la reacción. 2.- Un líquido A se descompone de acuerdo con una cinética de primer orden, efectuándose la conversión del 50% de A en 5 minutos. Calcúlese el tiempo adicional necesario para que le conversión sea del 75%. 3.- Repítase el problema 2 si la cinética es de segundo orden. 4.- Se ha encontrado experimentalmente que en 10 min se convierte en producto el 75% de un líquido reactante con un orden de reacción igual a 1/2. Calcúlese la cantidad convertida en media hora. 5.- En un reactor discontinuo, un reactante (C Ao = 1 mol/litro) alcanza la conversión del 80% en 8 minutos y se necesitan 18 minutos para que la conversión sea del 90%. Dedúzcase una ecuación cinética que represente este comportamiento. 6.- Calcúlese el orden global de la reacción irreversible: 2H2 + 2NO
N2 + 2H2O
A partir de los siguientes datos a volumen constante, empleando cantidades cantidades equimoleculares de H2 y de NO: Presión total, mmHg
200
240
280
320
326
Período medio, seg
265
186
115
104
67
1
7.- La reacción en fase acuosa
A -
R + S transcurre de acuerdo con los datos siguientes:
Tiempo, min
0
36
65
100
160
C A , mol/litro
0,1823
0,1453
0,1216
0,0795
0,0494
C AO = 0,1823 mol/litro CRO = 0 CSO = 55 mol/litro Deduzca la ecuación cinética. 8.- Para la reacción del ácido sulfúrico con sulfato de dietilo en disolución acuosa: H2SO4 + (C2H5)2SO4
---
2C2H5SO4H
Se dispone de los siguientes datos a 22,9 ºC: Tiempo, min
Conc. de C2H5SO4H
Tiempo, min
Conc. de C2H5SO4H
0
0
180
4,11
41
1,18
194
4,31
48
1,38
212
4,45
55
1,63
267
4,86
75
2,24
318
5,15
96
2,75
368
5,32
127
3,31
379
5,35
146
3,76
410
5,42
162
3,81
(5,80)
Las concentraciones iniciales de H2SO4 y (C2H5)SO4 son 5,5 mol/litro. Deduzca una ecuación cinética para esta reacción. 9.- Una pequeña bomba de reacción, equipada con un dispositivo sensible para la medida de presión se evacua y después se llena de reactante A puro a la presión de 1 atm. La operación se efectúa a 25ºC, temperatura lo suficiente baja para que la reacción no ocurra en extensión apreciable. Se eleva la temperatura lo más rápido posible hasta 100ºC sumergiendo la bomba en agua hirviendo, obteniendo los datos de la tabla mostrada a continuación. La ecuación estequiométrica para la reacción es 2A
B , después de permanecer la bomba en el baño bastante tiempo, se
efectúa un análisis para saber la cantidad de A y se encuentra que ese componente ha 2
desaparecido. Deduzca la ecuación cinética que se ajusta a estos datos, expresando las unidades en mol, litro y minuto. Tiempo, min
T ,
atm
Tiempo, min
T ,
atm
1
1,14
7
0,850
2
1,04
8
0,832
3
0,982
9
0,815
4
0,940
10
0,800
5
0,905
15
0,754
6
0,870
20
0,728
10.- Determínese la ecuación cinética completa en unidades de moles, litro y segundos, para la descomposición térmica del tetrahidrofurano. o,
t1/2 , min
T, ºC
214
14,5
569
204
67
530
280
17,3
560
130
39
550
206
47
539
mm Hg
11.- Para la reacción 2A
k 1
B
k 2
C
Determine k 1 y k 2 a partir de los siguientes datos: Tiempo, h
C A (mol/lt)
CB (mol/lt)
CC (mol/lt)
0
1
0
0
0,03
0,76
0,098
0,02
0,06
0,63
0,132
0,06
0,10
0,51
0,14
0,10
0,15
0,39
0,12
0,17
0,20
0,33
0,10
0,24
0,30
0,25
0,05
0,32
12.-La Penicilina (G) reacciona con la hidroxilamina (NH2OH) para formar el ácido hidroxiaminico, el cual produce un colorante complejo con hierro III. En un tanque de 250 ml a 27°C se mezclaron
3
concentraciones iguales de Penicilina y NH2OH. Las muestras fueron tomadas cada 10 minutos y añadidas a una solución de Hierro III. Con la ayuda de un calorímetro, se midió la concentración del complejo coloreado, y la concentración del ácido se obtuvo como una función del tiempo. A continuación se muestran los datos obtenidos, donde la absorbancia es directamente proporcional a la concentración del ácido: Tiempo (min)
0
10
20
30
40
50
Absorbancia
0
0,337
0,433
0,495
0,539
0,561
0,685
13.- Los siguientes datos experimentales para dimetil eter en fase gaseosa en un reactor por cargas a 504ºC, son: (CH3)2O (g) --Tiempo (seg) Presión total (mmHg)
CH4(g) + H2(g) + CO(g)
0
340
777
1195
3155
312
408
480
562
779
931
Determine la expresión de velocidad, probando con al menos dos ordenes para el método integral y comparando con el método diferencial. 14.- Para el estudio cinético de la hidrólisis del anhídrdo acético a 40ºC se utiliza un balón de vidrio de 1 litro de capacidad donde se cargan 750 ml de agua destilada. El requerimiento de la reacción se lleva a cabo por medidas conductimétricas. Luego de instalada la celda en el reactor y conectada al conductímetro se toma medida de la conductancia, seguidamente se alimentan 5ml de anhídrido, comenzando la reacción obteniéndose los siguientes datos: t (min) (mohs)
0
0,5
1,0
2,0
3,0
4,0
6,0
9,0
0,196
0,275
0,367
0,478
0,55
0,593
0,644
0,668
0,672
La densidad del anhídrido es 0,9 g/ml. Indique todas las suposiciones hechas para la realización del experimento. Determine la ley de velocidad. la reacción de hidrólisis es: (CH3CO)2O + H2O -
2CH3COOH
4
1) Acetato de butilo se produce en un reactor Batch a 100°C, usando ácido sulfúrico como catalizador, la alimentación original contiene 4,97 moles de butanol por mol de ácido acético, y la concentración del catalizador es del 0,032% en peso. Determine: a) El tiempo requerido para obtener una conversión del 50%. b) El tamaño del reactor y la masa original de reactivos que deben ser cargados al reactor para producir el éster a una velocidad de 100 lbm/h. Si la unidad estará parada 30 min entre cada batch para descargar, limpiar y cargar de nuevo el reactor. NOTA: Othmer encontró que la reacción es de 2do orden en ácido acético, cuando se trata de un exceso de butanol y que para la concentración de catalizador 0,032% la constante de velocidad es: 17,4 ml/mol.min. Asuma la densidad de la mezcla constante e igual a 0,75 g/ml. PM (éster): 116 g/gmol PM (butanol): 74 g/gmol PM (HAc): 60 g/gmol 2) Se tiene un reactor tipo Batch con volumen variable de donde se conocen los siguientes datos: Volumen inicial 0,15 ft3 Constante de velocidad: 1,0 (ft3 /lbmol)2 Temperatura constante de reacción: 140°F Se encontró que el volumen varía linealmente según la siguiente relación V = 0,1 P, con V en ft3 y P en atm. La reacción es: A + B ---- 8C La ley de velocidad es (-ra) = k Ca2Cb Si se alimentan igual número de moles de A y B determínese: a) La tabla estequiométrica. b) El valor del coeficiente de expansión (Ea). c) ¿Cuál es la conversión y la velocidad de reacción cuando V = 0,2 ft 3? 3) Acetato de Etilo es producido en un reactor por cargas (V=50m3), el cual es cargado con 3,91 kmol/m3 de ácido acético, 10,20 kmol/m3 de alcohol etílico y 17,56 kmol/m3 de agua:
5
K 1 CH3COOH + C2H5OH <-------> CH3COOC2H5 + H2O K 2 La constante de velocidad directa K 1 = 7,93.10-6 m3 /kmol.seg y K e = 2,93 a 100°C, para la reacción anterior. Si el tiempo total de carga, descarga y limpieza es de una (1) hora, calcular: a.- Tiempo de reacción para una máxima producción por unidad de tiempo para el acetato de etilo. b.- La cantidad en Kg de acetato de etilo producida en un día de operación. 4) Propilenglicol es producido por hidrólisis catalizada con ácido sulfúrico de óxido de propileno: (CH2
–
CH2)OCH3 + H2O ---------
CH2(OH)-CH2(OH)-CH3
La reacción es de primer orden en óxido de propileno y orden cero (aparente) en exceso de agua con una constante específica de velocidad: K = Ae(-E/RT) = 16,96.1012e(-32400/RT) (1/h) Las unidades de E son en btu/lbmol. Se dispone de un reactor por cargas aislado de 10 gal recubierto internamente de vidrio. El reactor se carga con 1 galon de una mezcla equivolumétrica de óxido de propileno – metanol y 5 gal de agua conteniendo 0,1% en peso de ácido sulfúrico. La temperatura inicial de todos estos materiales es 58°F. ¿ Cuántos minutos tomará alcanzar una conversión de 51,5%?. El (-Hr)= -36450 btu/lbmol a una temperatura de 58°F. (Reacción exotérmica). NOTA: Es necesario contar con los siguientes datos fisicoquímicos de las sustancias involucradas: peso molecular, densidad y capacidad calorífica. 5) La reacción en fase líquida A-------B es llevada a cabo en un reactor por cargas a una presión constante de 2 atm. La alimentación contiene A puro a una temperatura de 200°C. El calor de la reacción a 200°C es de –15 kj/kmol. El calor específico molar de A y B es de 42 j/kmol.K. La constante de velocidad está dada por la siguiente expresión: k = 110 + 0,8 (T-200) ; T en °C y k = K seg-1 El reactor opera adiabáticamente y permite una temperatura máxima de 400°C, por lo que es posible considerar una sección de enfriamiento en caso de que la temperatura exceda dicho valor. Si se desea una conversión del 80% ¿Será necesario considerar una sección de enfriamiento?. En dicho caso, ¿cuál será el tiempo de reacción para obtener dicha conversión y mantener esta sección del reactor en operación isotérmica a 400°C?.
6
6) Se requieren producir 12.000 kg/día de acetato de etilo en un reactor por cargas isotérmico a partir de la siguiente reacción: K 1 CH3COOH + C2H5OH <-------> CH3COOC2H5 + H2O K 2 Donde: k 1 = 8.0x10-6 y k 2 = 2.7x10-6 (m3 /kmol.s) La carga inicial al reactor contiene una solución acuosa de etanol de 550 kg/m3 y ácido acético 300 kg/m3. El tiempo total para la carga, descarga y limpieza del reactor es de 45 min. Si la densidad de la mezcla reaccionante permanece constante e igual a 1145 kg/m3. Calcular el volumen del reactor necesario, trabajando con una conversión fraccional del 40%. 7) La hidrólisis en fase líquida de las soluciones acuosas diluídas del anhídrido acético es de 2do orden e irreversible como lo indica la reacción siguiente: (CH3CO)2º + H2O -----
2CH3COOH
Se dispone de un reactor por cargas para llevar a cabo la hidrólisis. Este es cargado con 200 litros de solución anhídrida a 15°C y concentración 2,16.10-4 gmol/cm3. El calor específico y la densidad de la mezcla de reacción se consideran constantes e iguales a Cpm= 91,8 cal/gmol.K y 3
=1,05 g/cm .
El calor de reacción se puede asumir constante e igual a (-Hr)=50000 cal/gmol. Si el reactor es enfriado para que la reacción sea isotérmica a 15°C. ¿Qué tiempo se requerirá para obtener una conversión del 70%?. 8.- La reacción y constante de velocidad para la acidificación de la solución acuosa de propianato de sodio son: C2H5COONa + HCl
K 1 ----K 2
NaCl + C2H5COOH
K 1 = 0,0236 l/gmol.min K 2 = 0,00148 l/gmol.min La carga inicial del reactor contiene 453,59 kg de la sal de propianato y 177 kg de HCl por cada 1541 L. Se asume una densidad constante de 1186,3 g/l. Determine el volumen requerido para una conversión del 75% de la sal para lograr una producción promedio de 450 kg/h del ácido propiónico si el tiempo de llenado, vaciado y limpieza es de 30 min.
1.- La descomposición de la fosfina en fase gaseosa homogénea transcurre a 350°C según la reacción: 4PH3(g) ------
P4(g) + 6 H2
Con una ecuación cinética de primer orden: (-rPH3) = (10/hr) CPH3 Calcúlese el tamaño del reactor en flujo pistón, si las condiciones de operación son de 650°C y 4,6 atm; la conversión ha de ser del 80%, y la alimentación es de 1800 gmol de fosfatina pura por hora. 2.-Se ha encontrado que la velocidad de la reacción A -----215°C, es: (-r A) = 10-2 C A1/2
3H en fase gaseosa homogénea a
[mol/L.s]. Calcúlese el tiempo espacial necesario para alcanzar la
conversión del 80% a partir de una alimentación del 50% de A y 50% de inertes, en un reactor de flujo pistón que opera a 215°C y 5 atm (C Ao= 0,0625 moles/L). 3.- Se ha calculado que el tamaño de un reactor de flujo en pistón necesario para un fin determinado (99% de conversión de la alimentación de A puro) es de 32 L. Suponiendo que la estequiometria es A ------ R para una reacción de primer orden en fase gaseosa. Sin embargo, la estequiometria de la reacción es A ---- 3R. Calcúlese el volumen de reactor necesario para la estequiometria correcta. 4.- La reacción homogénea en fase gaseosa A ---- 3R, se ajusta a una cinética de segundo orden. Para un caudal de alimentación de 4 m3 /h de A puro a 5 atm y 350°C se obtiene una conversión del 60% de la alimentación en un reactor experimental constituido por un tubo de 2,5 cm de diámetro y 2 m de longitud. En una instalación comercial se han de tratar 320 m3 /h de una alimentación constituida por 50% de A y 50% de inertes, a 25 atm y 350°C para obtener una conversión del 80%. a) ¿Cuántos tubos se necesitan de 2,5 cm de diámetro y 2 m de longitud?. b) ¿Deben situarse en serie o paralelo?. Supóngase flujo en pistón, desprecie la pérdida de presión, y admítase que el gas presenta comportamiento ideal.
8
5.- La siguiente data de conversión fue obtenida en un PFR para la pirólisis de la acetona a 520°C y 1 atm La reacción es:
CH3COCH3 -----
CH2 = C = O + CH4
M A (g/h)
130
50
21
10,8
X A
0,05
0,13
0,24
0,35
El reactor tiene 80 cm de largo y un diámetro de 3,3 cm. ¿Cuál es la ecuación de velocidad sugerida para esta data? 6.- La descomposición del ácido fórmico en fase gaseosa fue estudiada en un reactor tubular: HCOOH (g) ---------
H2O(g) + CO (g)
En una corrida de velocidad especial resultó 1,29 min -1 para una conversión del 60% del ácido. El reactor opera isotérmicamente a 150°C y 1 atm, y la alimentación es ácido puro. La velocidad espacial está basada en una medida de o a condiciones estándar (0°C y 1 atm). Determine: a) El tiempo de residencia media (). b) ¿Cómo se compara () con el valor o, cuando o esta basada en la temperatura del reactor? La velocidad de descomposición a 150°C es irreversible y de 1 er orden con K = 2,46 min -1. 7.- La reacción elemental en fase líquida: A + B ----
C , es llevada a cabo en un reactor de
500 dm3. La concentración de entrada de A y B en forma de vapor es de 2 molar (igual para ambas) y la velocidad específica de reacción es 0,01 dm 3 /mol.min. a) Calcule el tiempo de reacción necesario para alcanzar un 90% de conversión si es un reactor batch. b) Asuma una alimentación estequiométrica de 10 mol de A/min en un reactor de flujo pistón y calcule el volumen del reactor y el tiempo espacial para llegar a una conversión del 90%. 8.- La reacción elemental en fase gaseosa: A --
3B , se lleva a cabo en un reactor PFR. La
velocidad específica de reaccióna 50°C es 10 -4 min-1 y la energía de activación es 85 kJ/mol. A entra en forma pura al reactor a 10 atm y 127°C, con una velocidad de flujo molar de 2,5 mol/min. Calcule el volumen del reactor y la velocidad espacial para alcanzar un 90% de conversión. Calcule el tiempo necesario para alcanzar un 90% en un reactor tipo batch a volumen constante.
Asuma que la reacción es reversible con una K e= 0,04 y calcule la conversión de equilibrio. Determine el volumen y tiempo espacial en un PFR y el volumen en un reactor batch, si se quiere alcanzar una conversión del 98% del valor de equilibrio. 9.- Se desea llevar a cabo la reacción en fase gaseosa A ----
B, en reactores tubulares que
consisten en 50 tubos paralelos de 40 ft de largo cn diámetro interno igual a 0,75 plg. El experimento a escala de laboratorio determinó que la constante de velocidad para la reacción de primer orden es 0,00152 s -1 a 300°F. ¿A qué temperatura debe ser operado el reactor para alcanzar una conversión de un 80% en A con una velocidad de alimentación de 500 lbm/h de A puro y operando a una presión de 100 psig?. A tiene un peso molecular de 73. Puede asumir gas ideal. 10.- En un reactor de flujo pistón reacciona la sustancia A de acuerdo con una cinética de segundo orden alcanzando una conversión del 95%. Se adquiere un segundo reactor análogo al primero. Calcúlese el aumento en la capacidad de la instalación para la misma conversión si estas unidades se conectan en serie o paralelo. 11.- La reacción A ----
B, es llevada a cabo en un reactor tubular. La información cinética esta
dada por: K 1 = 2,95x107 exp(-11600/RT) min-1 K 2 = 1,57x1018 exp(-29600/RT) min-1 Durante el diseño del reactor, el responsable del proyecto, utilizó la siguiente información para la alimentación: Flujo molar alimentado: 1000 gmol/min Concentración de la alimentación: 1 gmol/L. Temperatura de la alimentación: 30°C. El reactor construido tiene una longitud de 11m y un diámetro de 0,5 m. El coeficiente global de transferencia de calor es de 2 cal/m2.K.min, y la temperatura del medio externo puede considerarse igual a 25°C, la capacidad calórica media es de 250 cal/gmol °C, y el calor de reacción de 18000cal/gmol. Sin embargo, una vez puesto en marcha el reactor, un análisis del producto de salida determinó la presencia de un subproducto S. Luego de investigar las causas de este hecho, se determinó que al exceder la temperatura en el reactor de 60°C, se origina una reacción secundaria, resultando un esquema de reacción del tipo: 10
A
--
R
A
--
S
Con K 3 = 6x107exp(-11600/RT) min-1. Determine: a) ¿A partir de qué posición en el reactor se inicia la formación del subproducto S? b) ¿En qué porcentaje variará la conversión en el reactor, respecto al valor esperado inicialmente por el responsable del proyecto?.
1.- En el proceso de obtención de Hexamina a partir de amoníaco y formaldehído, por medio de la reacción: 4NH3 + 6 HCHO ----
(CH2)6N4 + 6H2O
La cinética de la reacción esta dada por: (-ra) = k C ACB2 ; (gmol/L.seg) y k = 1,42x103 e(-3090/T) (seg-1) El amoníaco y el formaldehído son alimentados cada uno a un flujo de 1,5 litro/seg y concentraciones de 4,06 gmol/L y de 6,32 gmol/L respectivamente. La temperatura de operación es de 36°C. Determine la capacidad requerida de un CSTR, si la conversión deseada es del 80%. 2.- El reactante A desaparece mediante una reacción irreversible A ------
R , que obedece a una
cinética de primer orden, dada por: (-r A) = k.C A. Considerando la posibilidad de utilizar uno o tres reactores de mezcla completa en serie, con una temperatura de operación en cada uno de ellos de 163°C y que la corriente de alimentación consiste en A puro a 20°C. Determine el volumen necesario y los requerimientos de transferencia de calor, en cada caso, si se desean producir 2 millones de libras de R en 7000 horas de operación, operando con una conversión final del 97%. Datos Adicionales: Calor de reacción: -83 cal/g PM(R)= 250 PM (A)= 200 K a 163°C =0,8 min-1 11
Cp(A) = Cp (R) = 0,5 cal/g. °C A = 0,9 g/cm
3
3.- En una serie de reactores de mezcla completa se hacen reaccionar 2,2 kg/h de etanol con 1,8 kg/h de ácido acético. Cada reactor tiene una capacidad de 0,01 m 3 y la reacción es llevada a cabo a 100°C, la constante de velocidad para la reacción de esterificación es de 4,76 x 10 -4 L/gmol.min. La densidad de la mezcla es de 864 kg/m3. Determinar el número de reactores para una conversión del 60% en el ácido. La reacción es: C2H5OH + CH3COOH
-----
CH3COOC2H5 + H2O
K e= 2,26 Utilice el método gráfico. 4.- En un reactor de mezcla completa se convierte el reactante A en un 90% mediante una reacción irreversible de segundo orden (2A --------
B). Se pretende instalar un segundo reactor
similar al primero y en serie con él. Tratando el mismo volumen de alimentación con iguales condiciones de concentración. ¿Cómo afectará esto la conversión final?. 5.- A usted se le ha pedido señalar la ampliación del proceso actual para obtener un aumento de la capacidad de producción del compuesto B. El proceso existente consiste en dos tanques de mezcla completa en serie. La reacción que se produce es la siguiente: 2A -----
B+C
Desafortunadamente, los datos originales para la constante de velocidad fueron extraviados, aunque se cree que con la siguiente información de planta se puede determinar su valor. Volumen 1er reactor: 30 gal. Volumen 2do reactor: 40 gal. Conversión fraccional 1 er reactor: 0,6 Conversión fraccional proceso : 0,8 Caudal volumétrico alimentado: 900 gal/h La reacción es de segundo orden en A. 6.- Una reacción orgánica en fase líquida, elemental e irreversible: 12
A + B ----
C
Es llevada a cabo en un reactor de flujo pistón. La alimentación consta de igual moles de A y B a 27°C y con una rata de flujo volumétrico de 2 dm3 /seg. a) Calcule el volumen de un CSTR necesario para lograr 85% de conversión, cuando la reacción es llevada a cabo adiabáticamente. b) ¿Cuál es la máxima temperatura de entrada, que se podría tener sin que se exceda el punto de ebullición del líquido (550 K) aún teniendo conversión completa?. c) Calcular la conversión que se puede lograr en un reactor CSTR de 500 dm 3. Datos adicionales: H° A (273 K) = -20 Kcal/mol H°B (273 K) = -15 Kcal/mol H°C (273 K) = -41 Kcal/mol C Ao =0,1 Kmol/dm3 Cp A = CpB = 15 cal/ mol.K K = 0,01 dm3 / mol.seg a 300 K E = 10.000 cal/mol. 7.- Una compañía tiene dos reactores de mezcla completa de distinto tamaño para la producción de un producto específico obtenido por una reacción homogénea de primer orden. ¿Cuál de las dos asociaciones permite alcanzar la velocidad de producción máxima?. 8.- Se planea hidrolizar anhídrido acético en tres reactores de tanque de mezcla completa operando en serie. La alimentación fluye al primer reactor (1 L) a una velocidad de 400 cm3 /min. El segundo y el tercer reactor tienen volúmenes de 2 y 1,5 L, respectivamente. La temperatura es 25°C y en estas condiciones, la constante de velocidad irreversible y de primer orden es 0,158min 1. Use un método gráfico para calcular la fracción hidrolizada en el efluente del tercer reactor. 9.- Una reacción irreversible de primer orden (en fase líquida) se lleva a cabo en un reactor continuo de tanque con agitación (CSTR). La densidad es 1,2 g/cm 3 y el calor específico es 0,9cal/g. °C. La velocidad volumétrica de flujo es 200 cm/seg, y el volumen del reactor es 10 L. La constante de velocidad es K = 1,8x10 5 e-12000/RT
(seg-1)
donde T esta en grados K. Si el calor de
reacción es H = -46000 cal/gmol y la temperatura de la alimentación corresponde a 20°C, ¿Cuáles son
las posibles temperaturas y conversiones para una operación adiabática estable a una
concentración de la alimentación igual a 4.0 gmol/L?. 13
10.- Una corriente de A con concentración de 24.03 gmol/l es alimentada a un flujo de 2831,7 l/h a un reactor contínuo de mezcla completa donde se produce la reacción: 2A
C+D
La constante directa de la reacción es de 0,4162 m3 /kmol.h y la constante de equilibrio K= 16.0. a) Calcular el volumen del reactor para una conversión del 80% a la del equilibrio. b) Si los reactores están limitados en tamaño a 1/10 del volumen del aporte indique ¿Cuántos reactores en serie de mezcla completa son necesarios? 11.- Para la siguiente reacción reversible exotérmica: A
B, cuya expresión de velocidad está
dada por: Reacción directa: K o1= 2.95x107 min-1
Ea1= 11600 cal/mol
Reacción Inversa: K o2= 1.57x1018 min-1
Ea2= 29600 cal/mol
Se propone utilizar dos tanques de mezcla completa en serie con capacidad de 750 litros cada uno. Al sistema se alimenta una corriente de 100l/min, con una concentración de A de 2 gmol/l (la alimentación no contiene B). Si se conserva la misma temperatura en ambos reactores. Cuál debe ser la temperatura de operación del sistema para garantizar una máxima conversión? 12.- En una serie de reactores de mezcla completa se hacen reaccionar 2.2Kg/h de Etanol con 1.8 Kg/h de ácido acético a 100°C mediante la reacción: C2H5OH + CH3COOH
CH3COOC2H5 + H2O
Las constantes de velocidad K 1: 4.76x10-4 l/gmol.min y K 2:1.63x10-4 l/gmol.min fueron de terminadas a 100°C para la reacción. Si cada reactor de la serie tiene una capacidad de 0.01 m3, y la densidad de la mezcla es de 864 Kg/m3. Determinar el número de tanques para lograr una conversión del 60% del ácido.
1.- Se tiene la siguiente reacción irreversible, homogénea y elemental a 1660ºR. A----
B 14
La velocidad específica está dada por la siguiente ecuación lnK = 34,56-5,35x104 /T, la T en ºR. La constante viene expresada en h-1. A es alimentado a dos RTMC. El primer reactor tiene un volumen de 250 pie3 y el segundo de 300 pie3. El flujo molar de A inicial es de 2 lbmol/h y su concentración es de 1,49x10-4 lbmol/pie 3. a) Determine la conversión final de A. b) Si el segundo reactor fuese un PFR ¿Cuál es la conversión final?. c) Si se tiene un solo RTMC. ¿Cuál es la conversión final? d) Compare y discuta el resultado obtenido en a, b y c. Diga cual es la alternativa más conveniente. 2.- 800.000 kg de Z son producidos a partir de la siguiente reacción X+Y ---- 2Z con K= 0,002 L/gmol.s. Utilizando un reactor de mezcla completa, encontrar el tamaño óptimo del reactor sobre la base de un costo mínimo. Datos adicionales: Costo de reactantes: X= 8 $/Kg Y= 0,02 $/Kg Peso molecular de reactantes y producto: X= 40
Y=80
Concentración de la alimentación:
Y= 15 g/L.
X= 9 g/L
Z= 60
Costo de operación: 15$/año.galon del reactor. Horas de operación: 7200 h/año.
3.- Para la descomposición de A, de acuerdo a:
R
A
S T
rR = 1,0 rS= 2Ca rT=Ca2 Cao= 1,0 Calcular el máximo valor de CR y la conversión requerida si se utiliza: a) Un reactor de flujo pistón. b)Un reactor de mezcla completa c) Dos tanques en serie y una conversión del 90% en A. 15
4.- Una corriente de 100 kmoles de A/h con una concentración de 0,1 kmol/L se hace reaccionar con un reactante B por medio de la reacción: A + B -------
R+S
K= 5 L/kmol . h
La cantidad de R producida es de 95 kmol/h. El efluente del reactor es tratado en una torre de separación, recuperando la totalidad de R, mientras que A y B son desechados; por consiguiente, no se utiliza recirculación de los reactantes. Calcúlese el tamaño óptimo del reactor así como la composición de la alimentación para el proceso. Datos adicionales: Costo de B: 100 $/kmol Costo de funcionamiento: 1,10 $/h litro para flujo en pistón. 0,30 $/h litro para mezcla completa. 5.-Una reacción no elemental en fase gaseosa irreversible: A + 2B -------
C
Es llevada a cabo isotérmicamnte en un reactor batch a presión constante. La alimentación esta compuesta por 60% de B y 40% de A a 227°C y 1013 kPa. La data de laboratorio obtenida es: (-r A) (mol/dm3.s) x 108
0,01
0,005
0,002
0,001
X
0,0
0,2
0,4
0,6
a) Estime el volumen de un PFR requerido para lograr 30% de conversión a una rata de flujo volumétrico de 2 m3 /min. b) Estime el volumen de un CSTR colocado en serie con el PFR de la parte (a) donde se logra 50% de la conversión (referida a la alimentación del PFR). c) ¿Cuál sería el volumen total de los dos reactores? d) ¿Existe una configuración que permita aumentar la conversión, cuál sería y en cuánto se podría incrementar?. 6.- Se trata el reactante A en un reactor de mezcla completa de 20 L, descomponiéndose del modo siguiente: A -----
R,
rR = k 1C A = (4/h)C A
A -----
S,
rS = k 2C A = (1/h)C A 16
Calcúlese el caudal de alimentación y la conversión del reactante para que el beneficio global sea máximo. ¿Cuál es este beneficio tomando como base una hora?. Datos adicionales: La materia prima A cuesta 75 ptas/mol para C AO = 1 mol/L; el producto R se vende a 375 ptas/mol y S no tiene valor apreciable. El coste total de funcionamiento del reactor y el de la instalación a separar los productos es de 1875 ptas/hora + 95 ptas/mol de A que entra al reactor. El A no convertido no se recircula. 7.- Los productos químicos A y B reaccionan del modo siguiente: A + B ----
R
rR = k 1C ACB = (68,8 L/h. mol) C ACB
2B
S
rS = K 2CB2 = (34,4 L/h. mol) CB2
----
En esta reacción se producen 100 moles de R/hora a un coste mínimo en un reactor de mezcla completa. Calcúlense los caudales de alimentación de A y B empleados y el tamaño necesario del reactor. 8.- La reacción por la cual se forma R es A -------
R , cuya ecuación cinética es:
(-r A) = (0,01 L/mol.h) C ACR Partiendo de una alimentación de A puro (100 mol/L; 7,50 ptas/mol) se producen 1000 mol de R/h, usando un solo reactor de mezcla completa o un reactor de mezcla completa seguido de un separador de A-R, en cuyo caso el A sin reaccionar puede recircularse y volverse a utilizar. El separador opera por un proceso de extracción, el cual, por un equilibrio de fase favorable, produce corrientes de A y R prácticamente puras. Su costo es 600 ptas/hora + 7,5 ptas/Litro de fluido tratado. El costo horario del reactor de mezcla completa es de 600 ptas + 0,75 ptas/litro de reactor. Supóngase que la densidad de todas las mezclas de A y R es constante. ¿Qué sistema, el reactor solo o el reactor con separador, es más económico; cuál es el costo unitario del producto R en cada caso?. 9.- Considerando el esquema de las reacciones elementales: k 1
k 2
A ---
R ---
S (deseado)
k 3 T k 1 = 10e-3500/T (seg-1) // k 2 = 1012 e-10500/T (seg-1) // k 3 = 108 e-7000/T (seg-1)
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La alimentación se compone de A e inertes, C AO = 1 mol/L, siendo el intervalo de temperaturas de 7 a 77ºC. a) Calcúlese la cantidad máxima de S que puede obtenerse por cada mol de A y qué tipo de reactor debe emplearse y cuál es la temperatura de la operación para conseguirlo. b) Determínese el tiempo mínimo de permanencia en el reactor para obtener el 99% de Cs máx. 10.-Las siguientes reacciones irreversibles de primer orden se ve rifican a densidad constante: k 1 A ---
k 2 B ---
C
K 1= 0,15 min-1 // K 2 = 0,05 min-1 Este sistema reaccionante se va a estudiar en reactores de flujo continuo con una velocidad de flujo volumétrico de 5 pies3 /min y una composición de la alimentación de [A] = [A]O y [B] = [C] = 0. ¿Cuál de los siguientes reactores es el preferible para una velocidad máxima de producción de B? a) Un tanque con agitación de volumen V = 10 pies3. b) Dos tanques con agitación en serie, cada uno con un volumen de 5 pies3. c) Dos tanques con agitación en paralelo, cada uno con un volumen de 5 pies3 y la corriente de alimentación dividida en partes iguales para los dos reactores. d) Un reactor PFR con un volumen de 10 pies3. 11.- En un reactor de tanque con agitación de volumen V se lleva a cabo una reacción a densidad constante. La reacción es de primer orden e irreversible, con una constante de velocidad k 1. La velocidad de alimentación volumétrica es Q. Bajo estas condiciones, la conversión en la corriente de producto es X1. a) Si se recircula la mitad de la corriente de producto y la velocidad de la alimentación complementaria se reduce a Q/2, ¿Cuál será la nueva conversión en la corriente de producto? ¿Cuál será la variación de la velocidad de formación de producto?. b) Si se recircula la mitad de la corriente de producto y se mantiene la velocidad de alimentación igual a Q, ¿Cuáles serán los efectos en la conversión y en la velocidad de producción?.
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