Problemas Reacciones Cataliticas

Departamento de química inorgánica e ingeniería química UCA

Departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química. Área de Ingeniería Química

REACTORES QUÍMICOS PROBLEMAS

CURSO 2010/11

Departamento de química inorgánica e ingeniería química UCA 1

PROBLEMAS DE CINÉTICA C1- Un motor cohete motor cohete quema una mezcla estequiométrica de combustible (H2 liq) en un medio oxidante (O2 liq). La cámara de combustión es cilíndrica de 75 cm de longitud y 60 cm de diámetro. Se producen Se producen 108 kg/s de gases de escape. Suponiendo la combustión total del H2, hallar la hallar la velocidad de reacción: a.- del hidrógeno b.- del oxígeno. C2- La ecuación estequiométrica de una reacción es Calcúlese el orden de la reacción.

A+B

—— >

C3- Una reacción cuya ecuación estequiométrica es 1/2 A + B tiene la ecuación cinética siguiente: (- r A A) = 2 C A A C B B

––—– >

2R R + R + 1/2 S



Dedúzcase la ecuación cinética para cinética para esta reacción, si la ecuación estequiométrica está escrita en la forma A + 2B ——— > 2R + 2R + S C4- Sea la reacción irreversible 2A + B ——— > A2B para la que se encuentra que la velocidad de formación del producto del producto se ajusta a la ecuación cinética: 2 A] [ B] 0, 72[ (r A2 B )  1  2[ A]

¿Qué mecanismo de reacción se sugiere para sugiere para esta expresión cinética, si la naturaleza química de la reacción indica que el producto el producto intermedio es una asociación de moléculas reactantes y que no tiene lugar reacciones lugar reacciones en cadena? C5- Se ha encontrado que la descomposición del óxido nitroso en fase homogénea viene dada por la por la ecuación estequiométrica: N2O ——— > N2 + 1/2O2 de ecuación cinética 2

( r N N 2O) 

k 1[ N 2 O]

1  k 2 [ N 2 O]

Dedúzcase un mecanismo que explique esta cinética. Enz. C6- Sea la reacción enzimática A ———  R en la que consideramos que se forma un producto intermedio de concentración apreciable. Dedúzcase la ecuación cinética de esta reacción en función de [Eo] y [A], considerándose en el desarrollo la aproximación de estado estacionario.


C7- El ácido hipofosforoso se transforma en ácido fosforoso por la acción de agentes oxidantes H 3 PO2

Agente > H 3 PO3 Oxidante

La cinética de esta transformación presenta transformación presenta las siguientes características: Para concentraciones bajas de agente oxidante (r H H PO ) = k[Ox][ H H 3 PO2 ] 3

3

Para concentraciones elevadas de agente oxidante + (r H PO ) = k [ H H ][ H H 3 PO2 ] 3

3

Para explicar las explicar las experiencias cinéticas se ha supuesto que con ion hidrógeno como catalizador el H3PO2 (normalmente no reactivo) se transforma en forma activa, cuya naturaleza se desconoce. Este producto intermedio reacciona con el agente oxidante y da H3PO3. Demuéstrese que este esquema explica los resultados cinéticos observados. C8- La ecuación cinética de una reacción es: 2

(- r A A) = 0,005 C A A mol/ cm3·min Calcúlese el valor numérico valor numérico y las unidades del coeficiente cinético, si la concentración se expresa en mol/litro y el tiempo en horas. C9- La ecuación cinética para cinética para una reacción en fase gaseosa a 400 K viene K viene dada por: dada por: dp A = 3 ,66 p 2 atm A dt a) Indíquese las unidades del coeficiente cinético. b) Calcúlese el coeficiente cinético para cinético para esta reacción, si la ecuación cinética viene expresada por: 2 ( - r A ) = - 1 dN A = k C A , mol/litroh V dt C10- A 1100 K el K el craqueo térmico del n-nonano es 20 veces más rápido que a 1000K. Hallar la Ea para esta reacción de descomposición. C11- La pirólisis La pirólisis del etano tiene lugar con lugar con una energía de activación de unas 75000 cal/mol. Calcúlese el aumento relativo de la velocidad de descomposición a 650 ºC con respecto a 500ºC.


C12- Para la reacción química A ——— > R y teniendo en cuenta los datos tabulados, ¿es razonable representar la representar la relación velocidad-concentración por velocidad-concentración por una una expresión cinética de orden n?. En caso afirmativo hallar el hallar el orden de la reacción. CA

6,1

8,2

8,5

9,1

13,3

( -r A)

110

200

220

250

530

C13- Un hombre metódico todos los viernes por viernes por la la noche va a una casa de juego de juego con su sueldo semanal de 3000 3000 ptas.; ptas.; juega juega durante 2 horas a un juego un juego de azar; después marcha a su casa y le da a su familia el sueldo menos 750 750 ptas. ptas. Su modo de jugar de jugar se se puede puede predecir: predecir: Siempre apuesta cantidades proporcionales cantidades proporcionales al dinero que tiene, y, por tanto, por tanto, sus pérdidas sus pérdidas también son predecibles. son predecibles. La <> de pérdida>> de dinero es proporcional es proporcional al dinero que tiene. Esta semana recibió un aumento de sueldo y jugó durante 3 horas, llegando a su casa con la misma cantidad con que llegaba antes del aumento. Calcúlese el valor de valor de ese aumento. C14- Si (-r A) = 0,2 mol/L·s cuando CA = 1 mol/L, calcúlese la velocidad de reacción cuando CA= 10 mol/L. Nota: mol/L. Nota: Se desconoce el orden de reacción. C15- Para facilitar la facilitar la extracción de petróleo de petróleo y gas en yacimientos dolomíticos, se suele usar ácido clorhídrico para clorhídrico para disolver la disolver la dolomita (carbonato de calcio y magnesio). De esta forma se aumenta el tamaño de los huecos que contienen el petróleo el petróleo y se facilita su salida. La reacción que se produce se produce es la siguiente: 4HCl + CaMg(CO3)2



2+

2+

-

Mg + Ca + 4Cl + 2CO2 + 2H2O

En la siguiente tabla se recogen valores de velocidades iniciales de reacción junto reacción junto a los -3

2,00

4,00

7 -2 -1 0,36 0,74 1,20 1,36 (-rºHCl )·10 (mol cm s ) correspondientes valores iniciales de concentración de ácido clorhídrico:

2,00

CºHCl (mol dm )

0,10

0,50

1,00

Determínese la ecuación cinética. Téngase en cuenta que la cantidad de dolomita está en gran exceso respecto al ácido. C16- Se investiga la cinética de descomposición de A, en fase acuosa, en un sistema de dos reactores de mezcla completa en serie. El segundo reactor tiene reactor tiene un volumen doble que el primero. En estado estacionario, cuando la concentración de la alimentación es de 1 mol L-1 y el tiempo espacial en el primer el primer reactor reactor es es de 96 s, la concentración en el segundo tanque es de -1 0,25 mol L . Determinad la ecuación cinética de la reacción de descomposición.


C17- En una una polimeriza polimerización ción en fase gaseosa y a temperatura constante, desaparece el 20% de monómero en 34 minutos, partiendo minutos, partiendo de la concentración del monómero de 0,04 mol/L y también de 0,8 mol/L. Calcúlese la velocidad de desaparición del monómero. C18- En un reactor discontinuo, reactor discontinuo, un reactante (CAo = 1mol/L) alcanza la conversión del 80% en 8 minutos, y se necesitan 18 minutos para minutos para que la conversión sea del 90%. Dedúzcase una ecuación cinética que represente esta reacción. C19- En un reactor discontinuo reactor discontinuo se efectúa la reacción reversible de primer de primer orden orden en fase líquida: A  R, CAo = 0,5 mol/L, CRo = 0 Calcúlese la ecuación cinética de esta reacción, si en 8 minutos se alcanza una conversión del 33,3 % y la conversión de equilibrio es de 66,7 %. C20- Calcúlese el orden global de la reacción irreversible: 2H2 + 2NO  N2 + 2H2O a partir de partir de los siguientes datos a V = Cte, empleando cantidades equimoleculares de H2 y de NO: Ptotal(mmHg) 200 240 280 320 326 Periodo medio (s) 265 186 115 104 67 C21- La reacción en fase acuosa datos siguientes Tiempo (min.) CA (mol/L)

0 0,1823

A 36 0,1453

R+S

65 0,1216

transcurre de acuerdo con los

100 0,1025

160 0,0795



0,0494

CAo = 0,1823 mol/L CRo = 0 CSo =55 mol/L Dedúzcase su ecuación cinética. C22- Calcúlese el coeficiente cinético par cinético paraa la desaparición de A en la reacción de prim de primer er orden orden en fase gaseosa 2 A ——— > R si la pres la presión ión se mantiene constante y el volumen de la mezcla reaccionante disminuye el 20 % en 3 minutos, cuando la mezcla de parti de partida da contiene el 80 % de A C23- Evaluate the rate constant K for K for the the irreversible reaction (CH3)2O

——— >

CH4 + H2 + CO

using next data. The data were collected at 504 ºC in a constant volume reactor. At time, t=0,


the reactor is reactor is filled with pure with pure dimettyl ether. Time (s) p (mm Hg)

390 96

777 176

1195 3155  250 476 619

C24- Para la siguiente reacción de descomposición: CH3 O | || CH3 – C – CH CH2 – C – CH CH3 | OH

O || ———— > 2 CH3 – C – CH CH3 (KOH)

Se obtuvieron los siguientes datos en un dilatómetro: tiempo(s) altura(mm)

0 8

24,4 20

48 28

75,8 34

106,6 38

183,6 42



43.3

El cambio de altura en el líquido del tubo fue utilizado para utilizado para el seguimiento del progreso del progreso de la reacción. La reacción es esencialmente irreversible. Los datos anteriores se obtuvieron a 25 ºC. Determinar el Determinar el orden de reacción y evaluar la evaluar la constante de velocidad. C25.- Para la reacción del ácido sulfúrico con sulfato de dietilo en disolución acuosa: H 2 SO4  (C 2 H 5 )2 SO4  2C 2 H 5 SO4 H

Hellin y Jungers (1957) determinaron los datos siguientes, a 25 ºC: Tiempo Tiempo C2H5SO4H C2H5SO4H (min) (min) (mol/litro) (mol/L) 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)2SO4 son 5,5 mol/L. Dedúzcase una ecuación cinética para cinética para esta reacción. C26- Una Una pequ pequeña eña bom bomba ba de reacción, equipada con un dispositivo sensible para sensible para la medida de


presión, presión, se evacua y se carga después con una mezcla de 76,94 % de reactante A y de 23,06 % de inertes a la pre la presión sión de 1 atm. La operación se efectúa a 14 ºC, temperatura suficientemente baja suficientemente baja para que la reacción no transcurra en extensión apreciable. La temperatura se eleva rápidamente a 100 ºC, sumergiendo la bomba bomba en agua hirviendo, obteniéndose los datos de la tabla de abajo. La ecuación estequiométrica es A ——  2R y después de un tiempo suficiente, la reacción se completa. Dedúzcase una unaecuación ecuación cinética que quese se ajuste a estos datos, expresando las unidades en mol, litro y minuto. t (min) t (min)  (atm)  (atm) 0,5 1,50 3,5 1,990 1,0 1,65 4,0 2,025 1,5 1,76 5,0 2,080 2,0 1,84 6,0 2,120 2,5 1,90 7,0 2,150 3,0 1,95 8,0 2,175

27- Se ha de producir ácido propiónico en un reactor de mezcla completa mediante la hidrólisis de su sal sódica. C2H5COONa + HCl  C2H5COOH + NaCl Se ha realizado una investigación de laboratorio en la que se han determinado las conversiones obtenidas para obtenidas para diferentes condiciones de alimentación: C'Ao = C'Bo = 5,4 molg/L (Concentraciones de propionato y ácido clorhídrico (en las corrientes de entrada al reactor). Volumen del reactor = reactor = 2 litros. qoA(L/min.)

0,52

0,104

0,03

0,005

0,00235

qoB(L/min.)

0,52

0,104

0,03

0,005

0,00235

XA observada

0,1

0,3

0,5

0,7

0,75

Se sabe que la reacción es de segundo orden con una cte. de equilibrio K=16. La planta La planta deberá procesar deberá procesar 40 40 L/min. de A, a una concentración de 325 kg A/m3 y 40 L/min. de B a una concentración de 123,6 kg B/m3. Las condiciones de la planta la planta serán idénticas a las usadas en los experimentos de laboratorio. a) ¿Cuál es la ecuación cinética? b) ¿Cuál es el volumen del reactor que reactor que da lugar a lugar a una conversión de A del 75 %? c) Si la relación L/D para el reactor es reactor es igual a uno, especifíquese las dimensiones del tanque cilíndrico a utilizar como utilizar como reactor. C28- Para las reacciones consecutivas 2A  B y 2B  C, se han medido las concentraciones como funciones del tiempo espacial en un RMC. En todos los experimentos,


3

CAo = 2 mol-lb/ft . El caudal volumétrico perman volumétrico permanece ece constante. Los datos se recogen en la tabla adjunta. Verifíquense las ecuaciones de velocidad propuestas: velocidad propuestas: 

 r A   k 1C 

 r B   0,5k 1C 

y 

CA

10 20 40 100 450

1,000 0,780 0,592 0,400 0,200

 k 2C B 8

CB

0,4545 0,5083 0,5028 0,4000 0,1636

PROBLEMAS DE DISEÑO D1- Se han de obtener 100 obtener 100 molg por molg por hora hora de R a R a partir de partir de una alimentación constituida por constituida por una solución saturada de A (CAo = 0,1 mol/L) en un reactor de reactor de flujo de mezcla completa. La reacción es: r R R = (0,2 h-1) CA A ——— > R siendo El coste de reactante para reactante para CAo = 0,1 mol/L es: $A = 50 pta/mol 50 pta/mol de A. El coste del reactor incluyendo reactor incluyendo instalación, equipo auxiliar, instrumentos, gastos generales, mano de obra, amortización, etc. es: $m = 1 pta/h·L. pta/h·L. Calcúlese el tamaño de reactor, el caudal de alimentación y la conversión para conversión para las condiciones óptimas. ¿Cuál será el coste unitario de R para R para estas condiciones si se prescinde del componente A que no ha reaccionado? D2- Supongamos que todo el componente A del ejercicio 1 que no ha reaccionado se puede se puede recuperar de recuperar de la corriente del producto del producto y llevarlo a la concentración inicial de CA=0,1 mol/L a un coste total de $r = $r = 12,5 pta/mol 12,5 pta/mol de A. Con esta recuperación de A como corriente de recirculación, calcúlense las nuevas condiciones óptimas y el coste unitario del producto del producto R. D3- La oxidación del tolueno a ácido benzóico ácido benzóico en fase líquida, ha sido estudiada en un reactor discontinuo provisto discontinuo provisto de agitación y utilizando aire como medio oxidante, benzal oxidante, benzaldehido dehido como iniciador y iniciador y acetato de plata de plata como catalizador. La reacción sigue una cinética de primer de primer orden, orden, con respecto a la concentración de tolueno CT -6 -1 r = kCT donde k = k = 6,1·10 s

Operando en las condiciones experimentales siguientes: Presión = 20 atm Agitación = 300 rpm Flujo de aire = 160 L/h (CN) Concentración inicial de tolueno = 9,3 mol/L

para t = 160 ºC


acetato de plata de plata = 0,01 mol/L Se obtiene una selectividad media a ácido benzóico ácido benzóico del 80 %. ―

―

―

Si se desea obtener una obtener una concentración de 90 g/L de ácido benzóico ácido benzóico (concentración máxima a la que dicho ácido permanece ácido permanece sin cristalizar) así como, una fabricación diaria de 50 kg de ácido benzóico, ácido benzóico, trabajando sólo 6 h/día, determinar: a) el tiempo de reacción necesario b) el tiempo en el que se ha de cargar, descargar y descargar y limpiar el limpiar el reactor c) el volumen de reactor necesario. reactor necesario. D4- Uno de los agentes absorventes mas utilizados en la petroquimica es el etielnglicol, la producción de éste utiliza como materia prima el óxido de etileno, este compuesto se obtiene a partir de la l a oxidación catalítica del etileno, con un sitema catalítico catalíti co de PdCl 2 y CuCl2 (=0.94 3 g/cm ), la reaccion principal de éste proceso es: C2H4 + H2O ——— > C2H4O…….(Hr = -58 kcal/mol) Y para producir etilenglicol es: C 2 H4 O + H 2 O

——— >

C2H4(OH)2

La oxidacion de etileno se da en un reactor catalitico de lecho fijo con una conversión máxima del 76%, la producción de etilenglicol tienen una conversión del 99%. Si se desea producir 0.5 tn/dia de etilenglicol. etilenglicol. Determinar el volumen volumen del reactor y la masa de catalizador catalizador necesario, necesario, para producir oxido de etileno etileno suficiente, si el reactor debe tener tener 1.5 m de diametro, operar operar a 10 atm y el etileno ingresa a 27 ºC. Ademas para la oxidacion: Donde: PE PO k a b

-r= k(PE)a(PO) b

[kmol etileno/h· kg·cataliz.]

: presion

parcial parcial de etileno (atm) presion :presion parcial parcial de oxigeno (atm) : 2954 29 540. 0.77 77·ex ·exp(p(-10 100. 0.9/ 9/T) T) : 1.5952-0.0024 :0.4102+0.005T :0.4102+0.005T

D5- Leyes y Othmer estudiaron la formación del acetato de butilo de butilo en un reactor discontinu o a100 ºC, usando H2SO4 como catalizador. La alimentación contenía 4,97 moles de butanol de butanol por por mol de ácido acético; la concentración del catalizador era catalizador era 0,032 % en peso. en peso. La cinética del sistema, dado un exceso de butanol, de butanol, es (-r A) = kCA2, donde CA es la concentración de ácido acético en molg/ml; r la velocidad de reacción en molg de acético/ml·min. Para la razón butanol/acético = 4,97 y una concentración de catalizador del catalizador del 0,032 %, k = k = 17,4 cm3/molg·min. Las densidades de las mezclas de ácido acético, butanol acético, butanol y acetato de butilo de butilo son desconocidas. Las densidades de los componentes son (a 100 ºC): ácido acético = 0,958; butanol 0,958; butanol = 0,742 y 3 acetato de butilo de butilo = 0,796, todos ellos en g/cm . Aunque la densidad de la mezcla de reacción varía con la conversión, el exceso de butanol de butanol reduce la magnitud del cambio. Por tanto, Por tanto, de modo aproximado, la densidad de la mezcla se considera constante e igual a 0,75 g/cm3. -a) calcular el calcular el tiempo requerido para requerido para obtener una obtener una conversión del 50 %


-b) determinar el determinar el tamaño del reactor y reactor y la cantidad original de reactivos que se deben cargar en cargar en él, para él, para producir producir el el éster a éster a una velocidad media de 100 lb/h. Se usará un reactor solamente, reactor solamente, el cual estará sin funcionar durante funcionar durante 30 minutos, entre cada operación, tiempo necesario para recuperar el recuperar el producto, producto, limpieza y arranque de nuevo. Considérese mezcla completa en el reactor y reactor y -c) ¿por qué ¿por qué se elige una conversión X = 0,5?. D6- La descomposición de la fosfamina en fase gaseosa homogénea transcurre a 650 ºC según la reacción: 4 PH3 (g) ——— > P4 (g) + 6H2 con ecuación cinética de primer de primer orden orden PH3) = (10 h )CPH3 (-r PH3 -1

Calcúlese el tamaño de reactor de reactor de flujo pist flujo pistón, ón, si las condiciones de operación son 650 ºC y 4,6 atm; la conversión ha de ser del ser del 80 % y la alimentación es de 1800 molg de fosfamina pura fosfamina pura por por hora. D7- En un reactor de mezcla completa (RMC), de volumen V = 1 litro, entra como alimentación 1 L/min de un líquido que contiene los reactantes A y B, con concentraciones CAo = 0,10 mol/L, CBo = 0,01 mol/L. Las sustancias reaccionan de una manera compleja para compleja para la que se desconoce la estequiometría. La corriente de salida del reactor contiene los componentes A, B y C con CAf = 0,02 mol/L, CBf = 0,03 mol/L, y CCf = 0,04 mol/L. Calcúlense las velocidades de reacción de A, B y C para las condiciones existentes en el reactor. D8- En un reactor de mezcla completa (V=0,1 litro) entra con caudal constante, una alimentación constituida por el reactante gaseoso puro A de CAo= 100 mmol/L y allí se dimeriza (2A —— > R). Calcúlese la ecuación cinética de esta reacción a partir de partir de los siguientes datos obtenidos experimentalmente para experimentalmente para distintos caudales de alimentación: nº de experiencia 1 2 3 4 qo, (L/h) 30,0 9,0 3,6 1,5 CAs, (mmol/L) 85,7 66,7 50 33,3 D9- Se ha encontrado que la velocidad de la reacción A ——— > 3R en fase gas a 215 ºC, es: -2 (-r A) = 10 CA1/2, [mol/L·s] Calcúlese el tiempo espacial necesario para necesario para alcanzar la alcanzar la conversión del 80 % a partir de partir de una alimentación del 50 % de A y 50 % de inertes, en un reactor de reactor de flujo en pistón en pistón que opera a 215 ºC y 5 atm (CAo = 0,0625 mol/L). D10- Se supone que la reacción gaseosa entre A, B y R es R es elemental reversible de la forma: k 1 A + B <=======> R k 2 y para comprobarlo se planifican se planifican experiencias en un reactor isotérmico de flujo en pistón. en pistón.


Conocida la ecuación cinética: a) Dedúzcase la ecuación de diseño para condiciones isotérmicas con esta expresión cinética y una alimentación constituida por constituida por A, A, B, R e R e inertes. b) Indíquese cómo ha de ensayarse esta ecuación para ecuación para una alimentación equimolar de equimolar de A y B. D11- En presencia de agua y ácido clorhídrico (como catalizador), la velocidad de esterificación, en molg/L·min, del ácido acético y el alcohol etílico a 100 ºC, viene dada por dada por

r E = kCHCOH,

-4

k = k = 4,76·10 L/min·molg

La velocidad de la reacción inversa (hidrólisis del éster) con la misma concentración del catalizador es: catalizador es: -4 (-r E)= k´CECA, k' = 1,63·10 L/min·molg a) se carga un reactor con reactor con 100 gal de una disolución acuosa, conteniendo 200 lb de ácido acético, 400 lb de alcohol etílico y la misma concentración de catalizador que catalizador que se usó para usó para obtener las obtener las constantes de la velocidad de reacción. ¿Cuál será la conversión de ácido acético a éster después éster después de un tiempo de reacción de 120 min? Considere  = cte =8,7 lb/gal. Despreciar el agua evaporada. b) ¿Cuál es la conversión de equilibrio? D12- El ácido propiónico ácido propiónico es producido, es producido, en fase acuosa, por acuosa, por la la reacción C2H5COONa + HCl <=======> C2H5COOH + NaCl Se sabe que la cinética de la reacción es de segundo orden y reversible. Se realizó un experimento en discontinuo con cantidades equimoleculares de los reactivos, de forma que la concentración inicial de cada reactivo fue de 2,7 molkg/m3. La tabla siguiente muestra los resultados obtenidos para obtenidos para diferentes muestras tomadas a lo largo del tiempo _____________________ ________________________________ _______________________ ___________________ _______  tiempo (min.) 0 10 20 30 50 XProNa. (%) 0 39 55 64 72.5 80 _____________________ ________________________________ _______________________ ___________________ _______ Calcular un Calcular un reactor discontinuo, reactor discontinuo, que trabajando en las mismas condiciones en las que se han determinado los datos cinéticos, produzca cinéticos, produzca 1360 kg de ác. propiónico ác. propiónico por por hora. hora. El tiempo estimado para estimado para la carga del reactor, calentamiento hasta la temperatura de trabajo, enfriamiento después de la reacción y descarga es de 45 min. Puesto que la conversión de equilibrio es del 80 %, se considerará como aceptable una conversión en el reactor del reactor del 75 %. La concentración inicial de propionato de propionato sódico en el reactor será reactor será de 323 kg/m3 y la de ác. clorhídrico 123,4 kg/m3. La densidad se puede se puede suponer constante suponer constante e igual a 1199 kg/m3. D13- Se va a realizar la realizar la nitración de benceno de benceno en un reactor continuo reactor continuo de tanque agitado. Se producen las siguientes reacciones: benceno + ácido nítrico ——— > nitrobenceno + agua nitrobenceno + ácido nítrico ——— > dinitrobenceno + agua dinitrobenceno + ácido nítrico ——— > trinitrobenceno + agua


Suponiendo que cada reacción es linealmente dependiente de la concentración de los reactivos correspondientes, deducir el deducir el conjunto de ecuaciones que dan la distribución completa de productos en este reactor. Existen dos corrientes de alimentación, una de benceno de benceno puro puro y otra de ácido nítrico al 98 %. Suponer densidad Suponer densidad constante. D14- Se produce Se produce ftalato de dibutilo en un reactor continuo reactor continuo de mezcla completa a 112 ºC. La velocidad de formación del monoéster a monoéster a partir de partir de anhídrido ftálico y butanol es muy rápida, la etapa controlante, en presencia en presencia de ácido sulfúrico como catalizador, es la conversión del monoéster a monoéster a diéster. C6H4(COOC4H9)COOH + C4H9OH (A) (B)

——— >

La velocidad de reacción viene dada por dada por la la expresión: es la concentración del monoéster.

C6H4(COOC4H9)2 + H2O (-r A) = kCA2 molg/L·h

donde CA

El valor de la constante aparente de velocidad para una relación molar B/A=3, una concentración del catalizador igual catalizador igual al 2 % en peso en peso y una temperatura de 112 112 ºC, viene dada por:


k = k = 0,7628·10(11,.695-4516/T) (L/molg·h)

donde T es la temperatura en K.

La concentración inicial del monoéster es monoéster es de 2,84 molg/L y la densidad de la mezcla de reacción es de 0,984 kg/L. a) En un reactor de MC de 1,1 m de diámetro interno y 1,6 m de altura, con un caudal volumétrico de 10 L/min., encontrar la encontrar la conversión conseguida en el reactor ideal reactor ideal de MC. Si la conversión conseguida en la práctica la práctica es del 68,5 %, justificar %, justificar las las discrepancias. b) Si la producción la producción deseada del diéster es diéster es de 10 Tm/día, ¿se puede ¿se puede conseguir este conseguir este objetivo con la planta?, la planta?, si no, ¿cómo se podría se podría conseguir? D15- La hidrólisis del anhídrido acético: (CH3CO)2O + H2O

——— >

2CH3COOH

es de pseudo de pseudo primer primer orden orden cuando se realiza con una concentración en anhídrido acético menor de, aproximadamente, 0,2 M, entre 10 y 40 ºC. La constante cinética para la desaparición del anhídrido en una solución diluida a 25 ºC es 0,155 min-1. La energía de activación es 10,6 kcal/molg (R=1,987 cal/molg·K). a) Calcular un Calcular un reactor de reactor de FP para FP para producir producir 200 200 kg/h de ácido acético a 35 ºC y con una conversión del 95 % a partir de partir de una alimentación 0,07 M en anhídrido. b) Suponiendo que no se supiera el valor de la constante cinética ni el de la energía de activación, pero activación, pero sí los resultados de un experimento de laboratorio que se recogen en la tabla CA (molg/L)

r acid acid

molg/L·min

0,00 0,0035 0,005

0,010

0,016

0,035 0,047 0,059 0,062 0.070 0.089 0.100

0,00 0,0019 0,0028 0,0055 0,0089 0,019 0,026 0,033 0,034 0,039 0,049 0,055

siguiente, determinar el determinar el tamaño del reactor usando reactor usando dichos resultados:

D16- La cloración del diclorotetrametilbenceno, en ácido acético, ocurre a 30 ºC de acuerdo a la ecuación: C6(CH3)4Cl2 + Cl2 HCl + C6(CH3)3CH2ClCl2 Los siguientes datos se han obtenido para la reacción anterior en un reactor de mezcla completa Tiempo, t(s) 0 48 85 135 171 223 257 Conversión, x 0 0,21 0,32 0,44 0,52 0,60 0,64 Si la concentración inicial de diclorotetrametilbenceno (B) y cloro (A) son respectivamente -3 -3 CBo = 34,7 mol·m y CAo = 19,2 mol·m . Usar los Usar los datos anteriores para anteriores para demostrar que demostrar que la reacción es de segundo orden. Calcular el Calcular el volumen de reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón necesario para necesario para alcanzar una alcanzar una conversión del cloro del 90 %, para %, para un caudal de alimentación de 1,5·10-4 m3·s-1 usando la misma concentración inicial.


D17- Se desea llevar a llevar a cabo la reacción de primer de primer orden orden A R en un reactor discontinuo operando isotérmicamente. Se pretende Se pretende obtener 5890,5 obtener 5890,5 moles de R por día por día con una conversión del 99 % del reactante A alimentado. La operación de carga y de calefacción del reactor hasta reactor hasta la temperatura de reacción requiere 0,38 h, y descargarlo y prepararlo para prepararlo para la siguiente carga requiere otras 0,9 h. Calcular el Calcular el volumen de reactor necesario reactor necesario sabiendo que en las condiciones de reacción la constante cinética vale 0,015 min-1, que la alimentación es reactante A puro (CAo= 8,5 mol A/L) y que el reactor puede puede trabajar como trabajar como máximo 13 h/día. D18- Se desea llevar a llevar a cabo la deshidrogenación de etano a etileno C2H6

C2H4 + H2

en un reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón isotérmico a 750 ºC y 1 atm. de presión. de presión. La constante cinética -1 varía con la temperatura según la expresión k(s ) = 0,602·1015exp(-35970/T); el tiempo espacial es  = 4 s. Si la alimentación es etano puro, etano puro, calcular la calcular la conversión obtenida. Comparar el Comparar el resultado con el obtenido despreciando la expansión molar. D19- Una reacción de isomerización de primer de primer orden orden A B es irreversible y se lleva a cabo en fase líquida en un reactor discontinuo. reactor discontinuo. Calcular el Calcular el volumen de reactor y reactor y el 4 número de cargas necesarias para una producción anual de 10 kg de B. (La planta es operativa durante 300 días (7200 h) en el año). Datos: Tª de reacción = 150 ºC k = 2,6·1014e-125000/RT h-1 XAf = 0,9 =10 (llenado) + 16 (calentamiento) + 14 (vaciado) + 30 (limpieza) to(min.) Densidad = 900 kg/m3 (la densidad de la alimentación y del producto del producto son similares). La energía de activación viene medida en J/molg. D20- El acetaldehido se descompone homogéneamente de acuerdo a la ecuación CH3-CHO

CH4 + CO

Se alimentan 0,01 kg·s-1 de acetaldehido a 520 ºC y a 1 atm a un RFP. La reacción es irreversible, de segundo orden y la constante k = k = 0,43 m3·kmol-1·s-1. Calcular: a) el volumen de reactor para para una conversión del 90%, y b) el tiempo espacial necesario para necesario para dicha conversión. D21- Un alimento gaseoso puro gaseoso puroA, A, de concentración inicial 88 mmol/L a 1 atm y 25 ºC, entra en un reactor de reactor de mezcla completa. La reacción que ocurre es A ——— > 3 R Determinar el Determinar el orden de la reacción y la constante de velocidad a partir de partir de los siguientes datos:

Departamento de química inorgánica e ingeniería química UCA  (min)

CA mmol·L

-1

11,4 43

20,2 36

31,7 32

46,7 28

90,9 21

14

D22- La hidrólisis de la sacarosa se lleva a cabo en tres tanques iguales de mezcla completa en serie. H+ C12H22O11 C6H12O6 + C6H12O6 H2 O (G) (F) La reacción es de primer de primer orden orden y la constante k = k = 0,042 min-1. Calcular la Calcular la conversión que se 3 alcanza, si el volumen de cada tanque es 1,8 dm y el caudal de alimentación 0,6·10-3 m3/min. D23- Aplicación de la reacción de Diels-Alder a Diels-Alder a la reacción de but de butadie adieno no con etileno en un reactor homogéneo reactor homogéneo de flujo pistó flujo pistón. n. Se sabe que el 1,3-butadieno (A) reacciona con etileno (B) en fase gaseosa y a temperatura superior a superior a 400 ºC, vía reacción Diels-Alder, para Diels-Alder, para dar ciclohexeno dar ciclohexeno (C). CH2=CH-CH=CH2 + C2H4

C6H10

Si se alimenta un RFP con una alimentación equimolecular de equimolecular de 1,3-butadieno y etileno, a 450 ºC y 1 atm, calcular el tiempo espacial () necesario para necesario para convertir el convertir el 10% de butadieno de butadieno a ciclohexeno, mediante una operación isotérmica Datos La reacción es de segundo orden k = k = 107,5exp(-115500/RT) dm3 · mol-1· s-1 La reacción reversible es despreciable. D24- La reacción A B es una isomerización irreversible de primer de primer orden. orden. A y B son líquidos de muy baja muy baja volatilidad con un peso un peso molecular de molecular de 250 g/mol. Ambos líquidos 3 tienen una densidad de 900 kg/m y un calor específico calor específico de 525 J/mol·K. La reacción se lleva a cabo en fase líquida en un reactor discontinuo reactor discontinuo de M C y con una conversión de 0,97. Calcular el volumen de reactor necesario para una producción anual de 106 kg de B, suponiendo que el reactor trabaja reactor trabaja isotérmicamente a 436 K. La planta La planta es operativa para operativa para 7000 h en el año. Calcular el Calcular el máximo calor producido por producido por carga. carga. Para cada carga se necesita 10 min para min para llenar el llenar el reactor, 12 para 12 para llevarlo a su temperatura y 14 para 14 para vaciarlo al final del periodo del periodo de reacción. La velocidad de consumo del reactivo A por unidad por unidad de volumen de reactivo/mezcla produ reactivo/mezcla producida, cida, (-r A), viene dada por la ecuación cinética de primer orden (-r A) = kCA donde CA es la -1 36 = 0,80 h . El calor de concentración de A y k, a 436 K, k 4436 calor de reacción molar del molar del reactivo A, HrA = -87,15 kJ/mol. D25- La reacción en fase gaseosa, irreversible A ——— > 3B se realiza isotérmicamente.


La reacción es de orden cero, la concentración de A es 2 mol/dm3, y el sistema contiene el 40 % de inertes. La constante de velocidad es 0,1 mol/(dm3·min). Calcular el Calcular el tiempo necesario para necesario para alcanzar una alcanzar una conversión del 80 % en: a) Un reactor discontinuo reactor discontinuo a volumen constante. b) Un reactor discontinuo reactor discontinuo a presión constante. Para un caudal volumétrico de 2 dm3/min, calcular el calcular el volumen del reactor y reactor y el tiempo espacial necesario para necesario para alcanzar la alcanzar la conversión del 80 % en: c) Un reactor continuo reactor continuo de tanque agitado. d) Un reactor de reactor de flujo pist flujo pistón. ón. D26- La hidrólisis de un éster se éster se realiza en un tanque agitado en el que entran dos corrientes, una de éster con éster con un caudal de 9 L·s-1 y una concentración de 0,02 molg·L-1 y otra de sosa cáustica con un caudal de 1 L·s-1 y concentración de 1 molg·L-1. La reacción, con una cinética de 2º orden, es: R-COO-R’ + NaOH ——— > R-COONa + R’OH El valor de valor de la constante cinética es k = k = 0,03 m3·molkg-1·s-1 a) Determínese el volumen del tanque para tanque para obtener una obtener una conversión del 40 %. b) Si la corriente producto corriente producto del reactor anterior reactor anterior se se utiliza como alimentación para alimentación para un segundo reactor de reactor de mezcla completa, ¿cuál sería el volumen necesario de este segundo tanque, para tanque, para conseguir al conseguir al final una conversión total del 80 %. c) Analice la diferencia de volumen entre ambos reactores. D27- La hidrólisis en fase líquida de disoluciones acuosas diluidas de anhídrido acético es un proceso proceso irreversible dado dado por: por: (CH3-CO)2O + H2O

——— >

2 CH3-COOH

Para efectuar la efectuar la hidrólisis en un reactor discontinuo reactor discontinuo adiabático, se carga éste con 200 L de disolución de anhídrido acético a 15ºC. La concentración inicial de anhídrido es 2,16·10-4 molg·cm-3, la densidad es de 0,9 kg·L-1, Cp = 1,05 kcal·kg-1·ºC-1 y el calor de calor de reacción es Temp., ºC 10 15 25 40 -1 -1 0,057 CA 0,0806 CA 0,158 CA 0,380 CA (-r A), mol L min 5·104 cal·molg-1. La velocidad de reacción a distintas temperaturas es:

Siendo CA, la concentración de anhídrido. a) Determínese la evolución de la temperatura en función de la conversión. b) Calcúlese el tiempo de reacción necesario para necesario para alcanzar una alcanzar una conversión del 70 %.


D28- Se desea diseñar un diseñar un reactor continuo reactor continuo de tanque agitado para agitado para pro produc ducir ir 200 200millones millones de libras de etilenglicol al año hidrolizando óxido de etileno. Previamente, y paradeterminar para determinar la la cinética de la reacción, se realizó un experimento de laboratorio en un reactor discontinuo. reactor discontinuo. Se mezcló 500 mL de una disolución 2 M de óxido de etileno en agua con 500 mL de agua, conteniendo un 0,9 % en peso de ácido sulfúrico que actúa como catalizador. La reacción elemental irreversible que ha de considerarse es la siguiente: O CH2 – CH CH2 + H2O (A) (B)

H2SO4 ———— >

CH2OH – CH CH2OH (C)

La temperatura se mantuvo a 55 ºC. La concentración de etilenglicol se midió en función del t(min)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

3,0

4,0

6,0

10,0

CC(M) 0,000 0.145 0,270 0,376 0,467 0,610 0,715 0,848 0,957 tiempo, resultando: El reactor industrial reactor industrial operará isotérmicamente y se alimenta con una solución de 1 mollb/ft3 de

óxido de etileno en agua junto agua junto con un volumen igual de agua que contiene 0,9 % de ácido sulfúrico como catalizador. Determine el volumen que debe tener el tener el reactor si reactor si ha de lograrse una conversión del 80 %. Se considera que no hay reacciones colaterales. Así mismo, al estar el estar el agua en exceso, se admite que la concentración de ésta permanec ésta permanecee constante durante todo el proceso. el proceso. D29- Una mezcla de 28 % de SO2 y 72 % de aire se carga en un reactor de reactor de flujo en el que se oxida el SO2 según la ecuación: 2SO2 + O2

——— >

2SO3

Calcule la concentración de todas las especies químicas pre químicas presen sentes tes par paraa una conversión XSO2 = 0,5 SO2 para la citada conversión; supóngase una cinética de y el valor de valor de la velocidad de reacción r SO2 primer primer orden orden respecto a cada reactivo, siendo la pres la presión ión inicial 1 atm. D30- Calcular la concentración de glicerina obtenida y reactivos sobrantes, en la saponificación de una mezcla de hidróxido sódico (A) con estearato de glicerilo (B), con concentraciones iniciales CAo = 10 M y CBo = 2 M. Resuélvase el problema el problema considerando que se alcanzara una conversión de hidróxido sódico: a) del 20 %, b) %, b) del 90 %, c) ¿cuál sería la conversión XA máxima que que podría podría alcanzarse?. Se considera una reacción en fase líquida y a densidad constante.


3NaOH + (C17H35COO)3C3H5 A B

——— >

3C17H35COONa + C3H5(OH)3 C D


D31- Se efectúa la descomposición reversible en fase gaseosa de tetróxido de dinitrógeno N2O4, para dar dióxido dar dióxido de nitrógeno NO nitrógeno NO2, a temperatura constante. La alimentación consiste en N en N2O4 puro a 340 K y 2 atm. La constante de equilibrio Kc a esta temperatura es 0,1 molg/dm3. a) Calcule la conversión de equilibrio de N de N2O4 en un reactor discontinuo reactor discontinuo a V=cte. b) Calcule la conversión de equilibrio de N de N2O4 en un reactor de reactor de flujo. c) Suponiendo que la reacción es elemental, expresar la expresar la velocidad de reacción en función de la conversión para conversión para ambos tipos de reactores. D32- Determine el volumen de reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón necesario para necesario para producir producir 300 300 millones de libras de etileno, C2H4, al año año por por pirólisis pirólisis de una corriente de alimentación de etano puro etano puro C2H6. La reacción es elemental e irreversible. Queremos lograr una lograr una conversión del 80 % del etano, operando isotérmicamente a 1100 K y K y a una una presión presión de 6 atm. Datos: k = k = 0,072 s-1 a 1000 K; Ea = 82 kcal/molg; R = R = 1,314 (ft3·atm/mollb·K). D33- Se quiere producir quiere producir 44 millones de lb/año de ftalato de dibutilo (DBP) por (DBP) por reacción reacción de n butanol con ftalato de monobutilo (MBP). La reacción es elemental y se cataliza con H2SO4. Una corriente que contiene MBP y butanol, se mezclará con el catalizador inmediatamente catalizador inmediatamente antes de entrar en entrar en el reactor. La concentración de MBP en esta corriente de entrada es de 0,2 mol-lb/ft3 y la velocidad de alimentación molar del molar del butanol butanol es cinco veces mayor que mayor que la de MBP. La velocidad de reacción específica a la temperatura de trabajo es de 1,2 ft3/mol-lb·h. Se cuenta con un CSTR de CSTR de 1000 galones que que puede puede usarse durante 30 días/año, operando las 24 horas del día. H2SO4 C6H4C6H10O4 + C4H9OH ————— > C6H4C10H18O4 + H2O (MBP) (n-butanol) (DBP) A B P R Determine la conversión en la salida del reactor. Determine el caudal molar de molar de A en la alimentación. Determine el caudal volumétrico de la alimentación. ¿Qué ocurriría si en lugar de lugar de emplear un emplear un único reactor de reactor de mezcla completa, se emplearan dos reactores iguales en serie, de 1000 gal cada uno?, ¿Cuánto tiempo se tardaría en fabricar los fabricar los 4 millones de lb de ftalato de dibutilo?. ¿Y si los reactores del apartado d) se asociaran en paralelo?. en paralelo?. ¿Y si tuviera un solo reactor de reactor de volumen igual a 2000 gal?. ¿Qué volumen de CSTR se necesitaría para alcanzar una conversión del 85 % con una velocidad de alimentación molar de molar de MBP de 1 mol-lb/min.?. ¿Qué volumen de reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón sería necesario para necesario para alcanzar una conversión del 85%?. Datos: 1 ft3 = 7,48 galones D34- Se ha encontrado que la reacción entre la etilenclorhidrina y el bicarbonato el bicarbonato sódico para sódico para dar etilenglicol dar etilenglicol CH2OH-CH2Cl + NaHCO3

—— >

(CH2OH)2 + NaCl + CO2


es elemental con coeficiente cinético k = k = 5,2 L/mol·h a 82 ºC. Basándose en estos datos, ha de construirse una una planta planta piloto piloto para para determinar la determinar la viabilidad económica de producir de producir etilenglicol, etilenglicol, a partir de partir de la mezcla de una disolución acuosa de bicarbonato de bicarbonato del 15 % en peso en peso con otra de etilenclorhidrina del 30 % en peso. Calcule el volumen de reactor de flujo pistón que producirá 200 kg/h de etilenglicol con una conversión del 95 % para una alimentación equimolar y equimolar y suponiendo que la densidad, tanto de las disoluciones de partida de partida como de la 3 mezcla reaccionante, vale 1,12 g/cm . Repetir los Repetir los cálculos para cálculos para un reactor de reactor de mezcla completa. D35- La reacción elemental en fase gaseosa (CH3)3C-OO-C(CH3)3

—— >

C2H6 + 2CH3COCH3

se efectúa isotérmicamente en un reactor de flujo sin caída de presión. La velocidad de reacción específica, a 50 ºC, es de 10-4 min-1 y la energía de activación es 85 kJ/mol. El peróxido de diterbutilo puro diterbutilo puro entra en el reactor a reactor a 10 atm y 127 ºC con una velocidad de flujo molar de molar de 2,5 mol/min. Calcule el volumen de reactor y el tiempo espacial necesarios para alcanzar una alcanzar una conversión del 90 % en: a) un reactor continuo reactor continuo de mezcla completa b) completa b) un reactor de flujo pistón. flujo pistón. D36 – Se ha comprobado que los nutrientes (vitamina) contenidos en los cereales se degradan con el tiempo, siguiendo una cinética de primer de primer orden orden respecto a la cantidad de nutrientes. Por tal motivo es necesario añadir más añadir más cantidad de la especificada en la caja, para caja, para garantizar que garantizar que haya suficiente durante su periodo su periodo de vigencia. Cada porción Cada porción de cereal (equivalente a 30 g) contiene el 20 % pruebas de la Ingesta Diaria Recomendada de la vitamina X, siendo 6500 UI Se han realizado pruebas realizado de almacenamiento aceleradas con este cereal, conésta losde siguientes Temperatura (ºC) 45 55 65 -1 0,0061 0,0097 0,0185 k semana 6 (1,7·10 UI la = 1cantidad g de vitamina). a) Calcular la Calcular de exceso de vitamina que necesita tener para para mantener la mantener la cantidad resultados

indicada durante un año a 25 ºC. b) si se producen10 se producen10·10 ·106 lb/año y el nutriente cuesta 5 € la libra, ¿cuánto costará este exceso? D37- La formación de difenilo se efectuará a 760 ºC según la reacción: 2 C6H6

C12H10 + H2

La alimentación será benceno será benceno puro puro en fase gaseosa con una una presión presión total de 5 atm y a 760 ºC. La velocidad de reacción específica para específica para la formación del difenilo es de 3114 ft3/mol-lb·s y la constante de equilibrio basada equilibrio basada en concentraciones es de Kc = 0,3. a ) Calcule la conversión de equilibrio. b) Calcule el volumen de reactor necesario para alcanzar el 98 % de la conversión de equilibrio de benceno: de benceno: b.1) Para un RFP con una alimentación de benceno de benceno de 10 mol-lb/min.


b.2) Para un RCMC con la misma alimentación de 10 mol-lb/min.


D38- Un líquido A se descompone de acuerdo con una cinética de primer de primer orden, orden, efectuándose la conversión del 50% de A en 5 minutos. Calcúlese el tiempo adicional necesario para necesario para que la conversión sea del 75%. D39- Repítase el problema el problema anterior, si la cinética es de segundo orden. D40- Una corriente de alimentación líquida (400 L min-1, 100 mol-mg de A L-1, 200 mol-mg de B L-1) se convierte en producto en producto en un reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón mediante la reacción A+BR. -1 -1 La cinética de la reacción viene dada por: dada por: (-r A) = 200 CA CB mol-g L min . Calculad el volumen de reactor necesario reactor necesario para para alcanzar una alcanzar una conversión del 99.9%. D41- Un reactor continuo de mezcla completa de 2 L se alimenta con una disolución conteniendo 1 mol-kg m-3 de un reactivo A. Reacciona según el esquema: 2A  R. La constante cinética tiene un valor de valor de 180 L( mol-g)-1 h-1. Calculad cuántos moles-g s-1 de A, hay que aportar en aportar en la alimentación para alimentación para conseguir a conseguir a la salida unos valores de concentración de A -3 -1 inferiores a 50·10 mol-mg ml . D42- En un reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón de 7,5 m de longitud y 10 cm de diámetro interno, se lleva a cabo la siguiente reacción a temperatura y presión constante (2 atm y 350 ºC): C3H8 + 4 O2



4H2O + 2CO + CO2

Por cada Por cada mol de propano, de propano, se alimentan 20 moles de aire. Determínese el caudal máximo de alimentación en L h-1 (medidos en las condiciones anteriores) para anteriores) para oxidar, al menos, 3/4 del propano del propano alimentado. Considérese la siguiente cinética: -1

(-r propano) = [500 L (mol-g min) ] C propano CO2 D43- En dos tanques agitados de 40000 L cada uno, conectados en serie, se han de tratar 100 tratar 100 -1 Lh de un fluido radiactivo que tiene una vida media de 20 h. Calcúlese el descenso de actividad radiactiva al paso al paso de cada uno de los tanques. Se recuerda que el tiempo de vida media es el tiempo necesario para necesario para que se reduzca a la mitad el número de núcleos radiactivos. También se recuerda, que la evolución del número de núcleos radiactivos con el tiempo varía según la ecuación: N=N ecuación: N=Noexp(-k t). exp(-k t). D44- Se desea aumentar la conversión en un reactor de flujo pistón del 60% al 80%, ajustando el caudal molar de molar de una alimentación de 50% de A y 50% de inertes. ¿Cómo debe hacerse esta modificación si la cinética de reacción es de primer de primer orden?, orden?, ¿Y si la cinética es de segundo orden? D45- Una corriente con un reactivo A, de concentración 4 mol-g L-1, alimenta a una


asociación de reactores formada por formada por uno uno de mezcla completa al que le sigue uno de flujo pistón; ambos son de igual volumen. Calculad la concentración de A a la salida del segundo reactor si reactor si la concentración a la salida del primero del primero es de 1 mol L-1. La reacción es de primer de primer orden. D46- En un reactor de flujo pistón se lleva a cabo la reacción en fase gaseosa de descomposición del ácido fórmico: HCOOH(g)  H2O (g) + CO (g) El reactor opera reactor opera isotérmicamente a 150 ºC y 1 atm de presión. de presión. La reacción sigue una cinética -1. de primer de primer orden, orden, siendo k = k = 2,46 min a.- Determínese el tiempo espacial necesario para necesario para obtener una obtener una conversión del 60%. b.- Determínese el tiempo medio de residencia. D47- Una corriente de agua residual de 3 dm3 h-1, con un contenido de 5000 mg L-1 de ácido tereftálico (peso molecular: 166,1 g mol-g-1), se trata mediante dos reactores biológicos reactores biológicos de mezcla completa trabajando en serie y en estado estacionario, a fin de reducir la reducir la concentración 3 de dicho ácido. El primer El primer reactor reactor tiene tiene un volumen de 12 dm . La concentración de ácido tereftálico a la salida del segundo biorreactor segundo biorreactor es es de 0,01 g L-1. La cinética de desaparición del ácido puede representarse por representarse por la la siguiente ecuación: (r A )  0,24 C A A 0,25  C A A ¿Qué volumen ha de tener el tener el segundo reactor?. D48- Se desea llevar a llevar a cabo la reacción en fase acuosa: A+B  R, cuya ecuación cinética -3 -1 3 -1 -1 es: (-r A) = kCACB en mol m s . A la temperatura del proceso, del proceso, k = k = 0,0125 m mol s . La reacción se lleva a cabo en un reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón en las siguientes condiciones: volumen 3 -1 -3 del reactor = reactor = 150 L; qo = 3 m min ; CAo = CBo = 10 mol m ; densidad de la mezcla de reacción = 1200 Kg m-3. Calculad: a.- la conversión a la salida del reactor. b.- el tamaño del reactor de mezcla completa necesario para alcanzar la misma conversión que en el apartado anterior. D49- Un reactivo A se transforma en P, siendo (-r A) función de CA, de acuerdo a los valores -1 que 1 2 3 4 5 6 8 10 CA mol L -1 -1 apar 1,0 2,0 3,0 4,0 4,7 4,9 5,0 5,0 -r A mol L min ecen en la tabla siguiente


Calculad el caudal de alimentación necesario para necesario para convertir el convertir el 80 % de una alimentación de


-1

CAo = 10 mol L , en un reactor de reactor de mezcla completa y cuyo volumen es 250 L. D50- Se desea llevar a llevar a cabo la reacción irreversible en fase gaseosa A + B  R + R + S, cuya ecuación cinética es (-r A) = kCACB. El reactor que reactor que se va a utilizar es utilizar es de tipo pistón tipo pistón con un -1 volumen de 100 L. Las condiciones de trabajo son: PT = 1 atm, T = 160 ºC, k = k = 250 L mol-g -1 -1 min . El caudal molar total molar total de alimentación es F0 = 87 mol-g min y dicha alimentación está constituida por constituida por un un 40 % de A y un 60 % de B. a.- ¿Qué conversión se obtiene a la salida del reactor? b.- ¿Cuántos reactores iguales y de volumen 100 L cada uno, funcionando en paralelo, en paralelo, serían necesarios para necesarios para alcanzar una alcanzar una conversión del 90%?. Considérese que la corriente de alimentación se reparte por reparte por igual igual entre todos ellos. D51- En presencia de agua y ácido clorhídrico (como catalizador), la velocidad de esterificación, en mol-g L-1 min-1, del ácido acético y el alcohol etílico a 100ºC, viene dada por dada por -4 -1 -1 r E = kCHCOH, siendo k = k = 4,76·10 L min mol-g , CH y COH las concentraciones de ácido y etanol respectivamente. La velocidad de la reacción inversa (hidrólisis del éster), con la misma -4 -1 -1 concentración del catalizador, es: (-r E) = k'CECA, siendo k' = 1,63·10 L min molg , CE la concentración de éster y éster y CA la de agua. Para una mezcla inicial formada por masas por masas iguales de disolución acuosa de ácido acético al 90 % y disolución de etanol al 95 %, ambos % en peso, en peso, y unas condiciones de volumen constante, obtened una ecuación que relacione la conversión del ácido con el tiempo. Asumiendo miscibilidad completa, calculad la conversión de equilibrio. D52- Una reacción de primer de primer orden orden en fase líquida se lleva a cabo en una una batería batería de 10 3 reactores de mezcla perfecta mezcla perfecta en serie, con un volumen de 15 m cada uno. El caudal que se va a tratar es tratar es de 125 L min-1 y k = k = 0,175 h-1. a) Calcúlese la conversión a la salida de la batería. la batería. b) Calcúlese la conversión obtenida en un reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón de volumen igual al total de la batería. la batería. c) Calcúlese la conversión obtenida en un reactor de mezcla perfecta mezcla perfecta de volumen igual al total de la batería. la batería. D53- La reacción elemental irreversible en fase acuosa A + B → R + R + S, se lleva a cabo isotérmicamente del siguiente modo: se introducen caudales iguales de dos corrientes líquidas en un tanque de 4 L; una de las corrientes contiene 0,02 mol A L-1, y la otra 1,4 mol B L-1. La mezcla pasa mezcla pasa después a través de un reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón de 16 L. Se ha encontrado que en el tanque se forma algo de R, cuya concentración es 0,002 mol R L R L-1. Suponiendo que este tanque actúa como un reactor de reactor de mezcla perfecta, mezcla perfecta, calcular la calcular la concentración de R a R a la salida del reactor de reactor de flujo pistón, flujo pistón, así como la conversión de A en el sistema. Considérese la reacción de pseudo-primer pseudo-primer orden orden en A. D54- Se tiene un reactor de reactor de mezcla completa trabajando con una conversión del 70%. La concentración de la corriente de alimentación es de 10 mol de A/L. Si se pone, se pone, en serie, un segundo reactor, igual al primero, ¿qué conversión final se obtendría?. Considérese la


1.5

siguiente ecuación cinética: (-r A)=k(CA)

D55- En un reactor discontinuo reactor discontinuo adiabático se lleva a cabo una reacción irreversible de primer de primer de orden en fase líquida. El coeficiente cinético es: K=4.48*106exp(-15000/RT) s-1. Calcular el Calcular el tiempo de reacción para reacción para alcanzar una alcanzar una conversión del 80%. Datos: CAo = 3 M; To = 25 ºC;

-1

CRo = 0; VReactor = 18 L;

-1

 = 1,1 g mL ; CP = 1,2 cal (g ºC) -1 HR = -50000 cal mol-g ;

;

D56- Una mezcla de 0,5 mol de vapor de vapor de agua por agua por cada cada mol de butadieno de butadieno (A) se dimeriza en un reactor tubular reactor tubular aa 640 ºC y 1 atm de presión. de presión. 2A  D El coeficiente cinético de la reacción directa es k = k = 118 mol-g/(L h atm2) y la constante de equilibrio es 1,27. Encuéntrese la longitud necesaria del reactor para para conseguir una conseguir una conversión del 10%. El diámetro interno del reactor ha reactor ha de ser de ser de 10 cm y el caudal molar total molar total de alimentación de 9 mol-kg/h. Nota: dada la baja la baja conversión que se pide, se pide, se puede se puede despreciar la despreciar la reacción inversa. D57- Se utiliza un reactor discontinuo reactor discontinuo de mezcla completa y a volumen constante, para constante, para llevar a cabo la reacción isotérmica en fase gaseosa siguiente: A  P + R . R . El volumen del reactor es de 20 L. Inicialmente, se carga con 20 moles de A puro. -1

2 a.- Si la reacción fuera de primer de primer orden, orden, con cinética: (-r A) = kCA, siendo k = k = 0,865 min , calculad el tiempo necesario para necesario para que número de19,0 moles de A reactor sea 0,2. min-1, calcule el tiempo necesario para necesario paraelconsumir 19,0 consumir moles deen A.el reactor sea k C A , siendo k = b.- Por el Por el contrario, si la reacción fuera de segundo orden:  r A   k C k = 2 Lmol-

1

c.- Si la temperatura es de 127ºC, calcule la presión la presión total inicial. Asimismo, calcule la presión la presión total final cuando se haya consumido todo el reactivo. D58- La reacción exotérmica, A X, (conversión) -3

-1

(-r A), (mol dm min )



P + Q, se ha llevado a cabo de forma adiabática,

0

0.2

0.4

0.5

0.6

0.8

0.9

10

10.67

50

50

50

12.5

9.09

obteniéndose los siguientesharesultados para resultados para experimentos en modo continuo de trabajo: El caudal de alimentación sido de 300 mol min-1.

a.- ¿Qué volúmenes de reactores de flujo pistón flujo pistón y de mezcla completa son necesarios para necesarios para


obtener una obtener una conversión del 40%? b.- Discuta la eficacia de ambos tipos de reactores, en función de la conversión a la que se desee trabajar, para trabajar, para llevar a llevar a cabo esta reacción. ¿Existen algunas condiciones en las que sea


indiferente la elección entre un tipo de reactor u reactor u otro? D59- La reacción A  R, se efectúa isotérmicamente en un reactor de flujo continuo. Calcule los volúmenes de reactor, tanto de mezcla completa como de flujo pistón, flujo pistón, necesarios para consumir el consumir el 99 % de A, si la velocidad molar de molar de la alimentación es de 5 mol h-1 y el caudal volumétrico de 10 dm3 h-1. Efectúe los cálculos para cálculos para los distintos casos, suponiendo que la cinética de la reacción responde a la constante de velocidad siguiente: a) b) c)

k = k = 0,05 mol h-1 dm-3 k = k = 0,0001 s-1 k = k = 3dm3 mol-1 h-

D60- La reacción elemental e irreversible 2A  P, se efectúa en fase gaseosa isotérmicamente en un reactor de reactor de flujo pistón. flujo pistón. El reactivo A y un diluyente D, se alimentan en una proporción una proporción equimolar, siendo la conversión de A de un 80 %. Si se reduce a la mitad la velocidad de alimentación molar de molar de A, ¿cómo cambiará la conversión, si no se modifica la velocidad de alimentación de D? D61- El anhídrido ftálico se obtiene por oxidación catalítica del naftaleno (véase figura adjunta) en reactores de lecho fijo con con pentóxido pentóxido de vanadio como catalizador. De este modo, por ejemplo, por ejemplo, en Estados Unidos, en 1995 se obtuvieron 31.000 Tm de anhídrido. Si se emplea un reactor de reactor de flujo, en condiciones isotérmicas, con una alimentación gaseosa constituida por constituida por un un 3.5% de naftaleno y un 96.5% de aire (porcentajes en volumen) y trabajando a P=10 atm y T=500 K. Determine lo siguiente en función de la conversión de naftaleno: a.- Las presiones Las presiones parciales parciales de oxígeno y de dióxido de carbono. b.- Las concentraciones de oxígeno y naftaleno. c.- El caudal volumétrico para volumétrico para la producción la producción anual antes indicada.


D62- En dos reactores de mezcla completa, de igual volumen y colocados en serie, se desea llevar a llevar a cabo la reacción de pirólisis de pirólisis por la por la que se deshidrogena etano convirtiéndose en etileno. La alimentación al primer al primer reactor reactor es es una corriente de 200 mol-g s-1 de etano puro. etano puro. La presión de trabajo es de 6 atm y la temperatura de 1000 K. El volumen de cada reactor es reactor es de -1 3000 L. A la temperatura dada, el coeficiente cinético de la reacción vale 0.072 s y la energía de activación es de 82.000 cal mol-g-1. ¿A qué temperatura deberá trabajar el trabajar el segundo reactor, si se desea que la velocidad de la reacción en dicho reactor sea reactor sea igual a la existente en el primer el primer reactor? reactor? D63.- Sean dos reactores de volumen 500 L, uno de mezcla completa y otro de flujo pistón. flujo pistón. La reacción A  P, es irreversible e isotérmica, respondiendo su cinética a la ecuación (-r A) = 3 kCA2 y siendo k = 17,4 cm /mol-g min. La alimentación es de 447,78 L/h y con una concentración de 0,00175 mol-g/cm3. Se pueden Se pueden asociar estos asociar estos reactores de las formas: a) En serie, un RMC seguido de un RFP b) En serie, un RFP seguido de un RMC c) En paralelo, En paralelo, un RMC y un RFP, alimentando la mitad del flujo de entrada a cada reactor y reactor y combinando después los flujos de salida. Diga qué sistema dará la conversión total más alta. D64.- Tenemos una reacción en la que un reactivo se transforma en un producto un producto con una -1 velocidad de reacción dada por dada por la la ecuación (-r A) = kCA , siendo k = k = 0,20 min . a) Calcúlese el volumen de un RMC y el  necesario para necesario para reducir la reducir la concentración inicial de A un 99 %, trabajándose con un caudal constante de 0,2 dm3/s. b) ¿Qué porcentaje ¿Qué porcentaje de la concentración inicial quedaría al cabo de 0,25 h, si se trabaja con un RD? D65.- 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-1 de A puro, a 5 atm y 350 ºC, se obtiene una conversión del 60 % de la alimentación en un reactor experimental reactor experimental constituido por un por un tubo de 2,5 cm de diámetro y 2 m de longitud. En una instalación comercial se han de tratar 320 tratar 320 m3 h-1 de una alimentación constituida por constituida por 50 50 % de A y 50 % de inertes, a 25 atm y 350 ºC para ºC para obtener una obtener una conversión del 80 %. a) ¿Cuántos tubos, de 2,5 cm de diámetro y 2 m de longitud, se necesitan? b) ¿Deben situarse en serie o en paralelo? en paralelo? Supóngase flujo en pistón, en pistón, despréciese la pérdida la pérdida de presión de presión y admítase que el gas presenta gas presenta comportamiento ideal. D66.- Se han obtenido los datos de la tabla adjunta en la descomposición del reactivo A en fase gaseosa, en un reactor discontinuo reactor discontinuo de volumen constante a 100 ºC. La estequiometría de la reacción es 2A  R + R + S. Calcúlese el tamaño del reactor de flujo en pistón en pistón para para que, operando a 100 ºC y 1 atm, pueda atm, pueda tratar 100 tratar 100 moles de A por hora por hora de una alimentación que contiene 20 % de inertes, para inertes, para obtener una obtener una conversión del 95 % de A.


t(s)

pA(atm)

t(s)

pA(atm)

0 20 40 60 80 100

1,00 0,80 0,68 0,56 0,45 0,37

140 200 260 330 420

0,25 0,14 0,08 0,04 0,02

D67.- Para efectuar una efectuar una reacción en fase gaseosa, cuya estequiometría es 2A  R + R + S, se emplea un tanque de 208 litros que que puede puede considerarse como un reactor de reactor de mezcla completa. Calcúlese la conversión de A que que puede puede alcanzarse, para alcanzarse, para que, operando a 100 ºC y 1 atm, -1 pueda tratar 200 tratar 200 mol A h de una alimentación que contiene el 20 % de inertes. Previamente se han obtenido los datos de la tabla adjunta, en la descomposición del reactivo A en un reactor discontinuo reactor discontinuo de volumen constante y a 100 ºC. t(s)

pA(atm)

t(s)

pA(atm)

0 20 40 60 80 100

1,00 0,80 0,68 0,56 0,45 0,37

140 200 260 330 420

0,25 0,14 0,08 0,04 0,02

k1

D68.- A 600 K, la reacción en fase gaseosa

C2H4 + Br 2



C2H4Br 2 , tiene de

k2

-1

-1

coeficientes cinéticos k 1 = 500 L mol h

-1

y k 2 = 0,032 h .

Si un reactor de reactor de flujo en pistón en pistón se alimenta con 600 m3 h-1 de un gas que contiene 60 % de Br 2, 30 % C2H4 y 10 % de inertes en volumen, a 600 K y K y 1,5 atm, calcúlese: a) La conversión máxima posible máxima posible de C2H4 en C2H4Br 2; b) El volumen de reactor necesario reactor necesario para para obtener el obtener el 60 % de esta conversión máxima. D69.- En un reactor de mezcla completa de 1 L de volumen entran dos corrientes de -1 alimentación gaseosa: una contiene el componente A (CAo = 0,01 mol L ) y su caudal es de 1 -1 -1 -1 L min ; la otra contiene el componente B (CBo = 0,02 mol L ) y su caudal es de 3 L min . En la reacción se forman una serie de productos de productos R, S, T, ... El caudal de salida es de 6 L min-1 y el -1 -1 análisis de esta corriente muestra que CAf = 0,0005 mol L y CRf = 0,001 mol L . Todos los caudales están medidos a la temperatura y presión constantes del reactor. Calcúlese la velocidad de reacción de A y la velocidad de formación de R. D70.- La reacción en fase gaseosa 2A → P + Q tiene lugar en lugar en un reactor discontinuo de volumen constante y a una temperatura de 373 K, obteniéndose los datos de la siguiente tabla: t(s)

pA(atm)

t(s)

pA(atm)


0 20 40 60 80 100

1,00 0,80 0,68 0,56 0,45 0,37

140 200 260 330 420

0,25 0,14 0,08 0,04 0,02

Si la reacción anterior se anterior se llevara a cabo en un reactor continuo de flujo pistón, calcúlese el caudal molar del molar del compuesto P que se obtendría si:  el reactor tuviera reactor tuviera un volumen de 300 L  operara a 100 ºC y 1 atm  tratara un determinado caudal de alimentación, con un contenido de un 20 % en volumen de inertes  alcanzara una conversión del 90 %. 2

D71.- En un reactor de reactor de mezcla completa, tiene lugar la lugar la reacción en fase líquida homogénea A → R, de cinética (r A )  k ·C A y con una conversión del 50 %. Calcúlese la conversión: a) si el reactor se reactor se sustituye por sustituye por otro otro seis veces mayor, sin modificar las modificar las demás condiciones. b) condiciones. b) si se sustituye el reactor primitivo por primitivo por otro otro de flujo en pistón en pistón de igual tamaño, sin modificar las demás condiciones. D72.- En un reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón se está efectuando la reacción elemental en fase líquida A + B → 2R + 2R + S. Se obtiene una conversión del 96 % con una CAo = CBo = 1 mol/litro. Indíquese en que que proporción proporción aumentaría la producc la producción ión si, a continuación del citado reactor, se añadiera en serie, un reactor de reactor de mezcla completa 10 veces mayor que mayor que el de flujo pistón. flujo pistón. La conversión total a alcanzar con alcanzar con este sistema sería la misma que en el caso de un reactor único. reactor único.


D73.- En un reactor de reactor de mezcla completa (de volumen Vm) se está efectuando la reacción elemental en fase líquida A + B → 2P + Q . Se emplean cantidades equimolares de A y de B (CAo = CBo = 1 mol/litro). La conversión obtenida es del 90 %. Por otro Por otro lado, se dispone de un reactor de reactor de flujo pistón, flujo pistón, de volumen V p= 0.5 · Vm. Se está considerando la posibilid la posibilidad ad de utilizar conjuntamente utilizar conjuntamente ambos reactores (en serie). Indíquese en qué proporci qué proporción ón aumentaría la producc la producción ión de la asociación de ambos reactores, respecto al caso inicial, cuando: a.- la asociación consiste en el reactor de reactor de mezcla completa seguido del de flujo pistón. flujo pistón. b.- Al contrario que en el apartado a. D74.- La reacción homogénea en fase gaseosa A  2B se efectúa a 100 ºC y a la presión la presión constante de 1 atm. En un reactor discontinuo , partiendo de A puro, se obtuvieron los datos Tiempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7

V/Vo 1,00 1,20 1,35 1,48 1,58 1,66 1,72 1,78

Tiempo (min) 8 9 10 11 12 13 14

V/Vo 1,82 1,86 1,88 1,91 1,92 1,94 1,95

de la tabla adjunta:

Por otro Por otro lado, para lado, para llevar a llevar a cabo la reacción anterior, se desea utilizar un utilizar un reactor de reactor de flujo -1 pistón que trate una corriente de alimentación de 10 mol s y en la que existe un 40% de inertes. Este reactor trabajaría reactor trabajaría a 100 ºC y 10 atm. Si se ha de obtener una obtener una conversión final del 90% de A, ¿qué volumen deberá tener este tener este reactor? D75.- El óxido nítrico se produce se produce por por oxidación oxidación del amoniaco en fase gaseosa. 4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O La alimentación a un reactor consiste reactor consiste en una mezcla del 15 % en volumen de amoniaco en aire a 8,2 atm y 227 ºC. a) Calcule la concentración de cada una de las especies químicas presentes en la alimentación. b) ¿Qué cantidad de alimentación sería necesaria para necesaria para alcanzar una alcanzar una producc producción ión de 600 kg


de NO de NO si se trabaja con una conversión del 50 %? D76.- La reacción en fase gaseosa, 2A + 4B  2C, que es de primer de primer orden orden en A y de primer de primer orden en B, se efectuará isotérmicamente en un reactor de reactor de flujo pistón flujo pistón de volumen 2,30 dm3. El flujo volumétrico de alimentación es de 2,5 dm3/min, siendo equimolar en equimolar en A y en B. La temperatura y presión en la entrada son de 727 ºC y 10 atm respectivamente. La velocidad de reacción específica a esta temperatura, es de 4 dm3/mol-g·min y la energía de activación es de 15000 cal/mol-g. a) Calcule el flujo volumétrico cuando la conversión de A es del 25 %.


b) Calcule la velocidad de reacción en la entrada del reactor (cuando reactor (cuando X=0). c) Calcule la velocidad de reacción cuando la conversión de A es del 40 %. d) Calcule la concentración de A cuando la conversión de A es del 40 %. e) ¿Qué valor tiene valor tiene la velocidad de reacción específica a 1227 ºC.

Problemas Reacciones Cataliticas

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