Problemas RQ 10_11

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

REACTORES QUÍMICOS PROBLEMAS

CURSO 2010/11

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PROBLEMAS DE CINÉTICA C1- Un motor cohete quema una mezcla estequiométrica de combustible (H 2 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 108 kg/s de gases de escape. Suponiendo la combustión total del H 2, 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 ——> 2R

C3- Una reacción cuya cuya ecuación ecuación estequiométrica estequiométrica es 1/2 A + B ––—–> R + 1/2 1/2 S tiene la ecuación cinética siguiente: (- r  A) = 2 C  A05 C B Dedúzcase la ecuación cinética para esta reacción, si la ecuación estequiométrica está escrita en la forma A + 2B ———> 2R + S C4- Sea la reacción irreversible 2A + B ———> A 2B para la que se encuentra que la velocidad de formación del producto se ajusta a la ecuación cinética: 0,72[ A]2 [ B] (r  A2 B )  1  2[ A] ¿Qué mecanismo de reacción se sugiere para esta expresión cinética, si la naturaleza química de la reacción indica que el producto intermedio es una asociación de moléculas reactantes y que no tiene lugar l ugar reacciones en cadena? C5- Se ha encontrado que la descomposición del óxido nitroso nit roso en fase homogénea homogénea viene dada  por la ecuación estequiométrica: estequiométrica: N 2O ———> N2 + 1/2O2 de ecuación cinética

( r  N 2O) 

k 1 [ N 2 O]

2

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 considerándose en el desarrollo la aproximación de estado estacionario.

2

C7- El ácido hipofosforoso se transforma en ácido fosforoso por la acción de agentes oxidantes  H 3 PO 2

 Agente Oxidante

>  H 3 PO 3

La cinética de esta transformación presenta las siguientes características: Para concentraciones  bajas de agente oxidante (r  H  PO ) = k[Ox][ H 3 PO 2 ] 3

3

Para concentraciones elevadas de agente oxidante (r  H  PO ) = k [ H + ][ H 3 PO 2 ] 3

3

Para 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 H 3PO3. Demuéstrese que este esquema explica los resultados cinéticos observados. C8- La ecuación cinética de una reacción es: (- r  A) = 0,005 C  A2 mol/ cm3·min Calcúlese el 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 una reacción en fase gaseosa a 400 K viene dada por: -

dp  A dt 

2

= 3 ,66   p  A atm

/h

a) Indíquese las unidades del coeficiente cinético.  b) Calcúlese el coeficiente cinético para esta reacción, si la ecuación cinética viene expresada  por:

( - r  A ) = -

1 dN   A 2 = k  C  A  , mol/litroh V  dt 

C10- A 1100 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 del etano tiene 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.

3

C12- Para la reacción química A ———> R y teniendo en cuenta los datos tabulados, ¿es razonable representar la relación velocidad-concentración por una expresión cinética de orden n?. En caso afirmativo 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 la noche va a una casa de juego con su sueldo semanal de 3000 ptas.; juega durante 2 horas a un juego de azar; después marcha a su casa y le da a su familia el sueldo menos 750 ptas. Su modo de jugar se puede predecir: Siempre apuesta cantidades proporcionales al dinero que tiene, y, por tanto, sus pérdidas también son predecibles. La <> de dinero 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 ese aumento. C14- Si (-r A) = 0,2 mol/L·s cuando C A = 1 mol/L, calcúlese la velocidad de reacción cuando CA= 10 mol/L. Nota: Se desconoce el orden de reacción. C15- Para facilitar la extracción de petróleo y gas en yacimientos dolomíticos, se suele usar ácido clorhídrico para disolver la dolomita (carbonato de calcio y magnesio). De esta forma se aumenta el tamaño de los huecos que contienen el petróleo y se facilita su salida. La reacción que se produce es la siguiente: 4HCl + CaMg(CO3)2



Mg2+ + Ca2+ + 4Cl- + 2CO2 + 2H2O

En la siguiente tabla se recogen valores de velocidades iniciales de reacción junto a los correspondientes valores iniciales de concentración de ácido clorhídrico: CºHCl (mol dm-3)

0,10

0,50

1,00

2,00

4,00

(-rºHCl )·107 (mol cm-2 s-1 )

0,36

0,74

1,20

1,36

2,00

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 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 reactor es de 96 s, la concentración en el segundo tanque es de 0,25 mol L-1. Determinad la ecuación cinética de la reacción de descomposición.

4

C17- En una polimerización en fase gaseosa y a temperatura constante, desaparece el 20% de monómero en 34 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, un reactante (C Ao = 1mol/L) 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 esta reacción. C19- En un reactor discontinuo se efectúa la reacción reversible de primer 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: 2H 2 + 2NO  N2 + 2H2O a partir de los siguientes datos a V = Cte, empleando cantidades equimoleculares de H 2 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 para la desaparición de A en la reacción de primer orden en fase gaseosa 2 A ———> R si la presión se mantiene constante y el volumen de la mezcla reaccionante disminuye el 20 % en 3 minutos, cuando la mezcla de partida contiene el 80 % de A C23- Evaluate the rate constant K for 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,

5

the reactor is filled 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 O | || || CH3 –C–CH2 –C–CH3 ————> 2 CH3 –C–CH3 | (KOH) OH 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 el seguimiento del progreso de la reacción. La reacción es esencialmente irreversible. Los datos anteriores se obtuvieron a 25 ºC. Determinar el orden de reacción y 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 (min) 0 41 48 55 75 96 127 146 162

C2H5SO4H (mol/litro) 0 1,18 1,38 1,63 2,24 2,75 3,31 3,76 3,81

Tiempo (min) 180 194 212 267 318 368 379 410 

C2H5SO4H (mol/L) 4,11 4,31 4,45 4,86 5,15 5,32 5,35 5,42 (5,80)

Las concentraciones iniciales de H2SO4 y (C2H5)2SO4 son 5,5 mol/L. Dedúzcase una ecuación cinética para esta reacción. C26- Una pequeña bomba de reacción, equipada con un dispositivo sensible para la medida de

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 presión, se evacua y se carga después con una mezcla de 76,94 % de reactante A y de 23,06 % de inertes a la presión de 1 atm. La operación se efectúa a 14 ºC, temperatura suficientemente baja  para que la reacción no transcurra en extensión apreciable. La temperatura se eleva rápidamente a 100 ºC, sumergiendo la 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 ecuación cinética que se ajuste a estos datos, expresando las unidades en mol, litro y minuto. t (min) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

t (min) 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

 (atm)

1,50 1,65 1,76 1,84 1,90 1,95

 (atm)

1,990 2,025 2,080 2,120 2,150 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 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 = 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 deberá procesar 40 L/min. de A, a una concentración de 325 kg A/m 3 y 40 L/min. de B a una concentración de 123,6 kg B/m 3. Las condiciones de 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 da lugar a una conversión de A del 75 %? c) Si la relación L/D para el reactor es igual a uno, especifíquese las dimensiones del tanque cilíndrico a 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,

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CAo = 2 mol-lb/ft3. El caudal volumétrico permanece constante. Los datos se recogen en la tabla adjunta. Verifíquense las ecuaciones de velocidad propuestas:

 r  A   k 1C  A 

y

 r  B   0,5k 1C  A   k 2 C  B  CA

10 20 40 100 450

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

CB

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

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PROBLEMAS DE DISEÑO D1- Se han de obtener 100 molg por hora de R a partir de una alimentación constituida por una solución saturada de A (C Ao = 0,1 mol/L) en un reactor de flujo de mezcla completa. La reacción es: r R  = (0,2 h-1) CA A ———> R siendo El coste de reactante para C Ao = 0,1 mol/L es: $A = 50 pta/mol de A. El coste del reactor incluyendo instalación, equipo auxiliar, instrumentos, gastos generales, mano de obra, amortización, etc. es: $m = 1 pta/h ·L. Calcúlese el tamaño de reactor, el caudal de alimentación y la conversión para las condiciones óptimas. ¿Cuál será el coste unitario de 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 recuperar de la corriente del producto y llevarlo a la concentración inicial de C A=0,1 mol/L a un coste total de $r = 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 R. D3- La oxidación del tolueno a ácido benzóico en fase líquida, ha sido estudiada en un reactor discontinuo provisto de agitación y utilizando aire como medio oxidante, benzaldehido como iniciador y acetato de plata como catalizador. La reacción sigue una cinética de primer orden, con respecto a la concentración de tolueno C T

r  = kCT donde k = 6,1·10-6 s-1

para t = 160 ºC

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 “ “ “ acetato de plata = 0,01 mol/L Se obtiene una selectividad media a ácido benzóico del 80 %. Si se desea obtener una concentración de 90 g/L de ácido benzóico (concentración máxima a la que dicho ácido permanece sin cristalizar) así como, una fabricación diaria de 50 kg de 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 limpiar el reactor c) el volumen de reactor necesario. D4- Leyes y Othmer estudiaron la formación del acetato de butilo en un reactor discontinuo a

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100 ºC, usando H 2SO4 como catalizador. La alimentación contenía 4,97 moles de butanol por mol de ácido acético; la concentración del catalizador era 0,032 % en peso. La cinética del sistema, dado un exceso 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 0,032 %, k = 17,4 cm 3/molg·min. Las densidades de las mezclas de ácido acético, butanol y acetato de butilo son desconocidas. Las densidades de los componentes son (a 100 ºC): ácido acético = 0,958; butanol = 0,742 y acetato de butilo = 0,796, todos ellos en g/cm 3. Aunque la densidad de la mezcla de reacción varía con la conversión, el exceso de butanol reduce la magnitud del cambio. Por tanto, de modo aproximado, la densidad de la mezcla se considera constante e igual a 0,75 g/cm 3. -a) calcular el tiempo requerido para obtener una conversión del 50 % -b) determinar el tamaño del reactor y la cantidad original de reactivos que se deben cargar en él, para producir el éster a una velocidad media de 100 lb/h. Se usará un reactor solamente, el cual estará sin funcionar durante 30 minutos, entre cada operación, tiempo necesario para recuperar el producto, limpieza y arranque de nuevo. Considérese mezcla completa en el reactor y -c) ¿por qué se elige una conversión X = 0,5?. D5- 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 orden (- r PH3) = (10 h-1)CPH3 Calcúlese el tamaño de reactor de flujo pistón, si las condiciones de operación son 650 ºC y 4,6 atm; la conversión ha de ser del 80 % y la alimentación es de 1800 molg de fosfamina pura por hora. D6- 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 la que se desconoce la estequiometría. La corriente de salida del reactor contiene los componentes A, B y C con C Af = 0,02 mol/L, C Bf = 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. D7- En un reactor de mezcla completa (V=0,1 litro) entra con caudal constante, una alimentación constituida por el reactante gaseoso puro A de C Ao= 100 mmol/L y allí se dimeriza (2A ——> R). Calcúlese la ecuación cinética de esta reacción a partir de los siguientes datos obtenidos 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 D8- En un reactor de mezcla completa se efectúa, en condiciones estacionarias, la reacción en fase líquida

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k 1 A + B <=====> R + S k 2

k 1 = 7 L/mol·min k 2 = 3 L/mol·min

Al reactor entran dos corrientes de alimentación con caudales iguales: una contiene 2,8 mol/L de A y la otra 1,6 mol/L de B. Se desea que la conversión del componente limitante sea del 75%. Calcúlese el caudal de cada corriente, suponiendo que la densidad permanece constante y que V = 120 litros. D9- Se ha encontrado que la velocidad de la reacción A ———> 3R en fase gas a 215 ºC, es: (-r A) = 10-2CA1/2, [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 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 elemental reversible de la forma: k 1 A + B <=======> R k 2 y para comprobarlo se planifican experiencias en un reactor isotérmico de flujo en pistón. Conocida la ecuación cinética: a) Dedúzcase la ecuación de diseño para condiciones isotérmicas con esta expresión cinética y una alimentación constituida por A, B, R e inertes.  b) Indíquese cómo ha de ensayarse esta ecuación para una alimentación 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

r E = kCHCOH,

k = 4,76·10-4 L/min·molg

La velocidad de la reacción inversa (hidrólisis del éster) con la misma concentración del catalizador es: (-r E)= k´CECA, k' = 1,63·10-4 L/min·molg a) se carga un 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 se usó para obtener las constantes de la velocidad de reacción. ¿Cuál será la conversión de ácido acético a 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 es producido, en fase acuosa, por la reacción C2H5COONa + HCl <=======> C 2H5COOH + NaCl

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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/m 3. La tabla siguiente muestra los resultados 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 reactor discontinuo, que trabajando en las mismas condiciones en las que se han determinado los datos cinéticos, produzca 1360 kg de ác. propiónico por hora. El tiempo 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 75 %. La concentración inicial de propionato sódico en el reactor será de 323 kg/m 3 y la de ác. clorhídrico 123,4 kg/m3. La densidad se puede suponer constante e igual a 1199 kg/m 3. D13- Se va a realizar la nitración de benceno en un 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 conjunto de ecuaciones que dan la distribución completa de  productos en este reactor. Existen dos corrientes de alimentación, una de benceno puro y otra de ácido nítrico al 98 %. Suponer densidad constante. D14- Se produce ftalato de dibutilo en un reactor continuo de mezcla completa a 112 ºC. La velocidad de formación del monoéster a partir de anhídrido ftálico y butanol es muy rápida, la etapa controlante, en presencia de ácido sulfúrico como catalizador, es la conversión del monoéster a diéster. C6H4(COOC4H9)COOH + C4H9OH ———> C6H4(COOC4H9)2 + H2O (A) (B) La velocidad de reacción viene dada por la expresión: es la concentración del monoéster.

(- 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 al 2 % en peso y una temperatura de 112 ºC, viene dada  por:

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

donde T es la temperatura en K.

La concentración inicial del 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 conversión conseguida en el reactor ideal de MC. Si la conversión conseguida en la práctica es del 68,5 %, justificar las discrepancias.  b) Si la producción deseada del diéster es de 10 Tm/día, ¿se puede conseguir este objetivo con la planta?, si no, ¿cómo se podría conseguir? D15- La hidrólisis del anhídrido acético: (CH3CO)2O + H2O ———> 2CH3COOH es de pseudo primer 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 reactor de FP para producir 200 kg/h de ácido acético a 35 ºC y con una conversión del 95 % a 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 sí los resultados de un experimento de laboratorio que se recogen en la tabla siguiente, determinar el tamaño del reactor usando dichos resultados: CA (molg/L)

0,00 0,0035 0,005

0,010

0,016

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

r acid

molg/L·min 0,00 0,0019 0,0028 0,0055 0,0089 0,019 0,026 0,033 0,034 0,039 0,049 0,055

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) Conversión, x

0 0

48 0,21

85 0,32

135 0,44

171 0,52

223 0,60

257 0,64

Si la concentración inicial de diclorotetrametilbenceno (B) y cloro (A) son respectivamente CBo = 34,7 mol·m-3 y CAo = 19,2 mol·m-3. Usar los datos anteriores para demostrar que la reacción es de segundo orden. Calcular el volumen de reactor de flujo pistón necesario para alcanzar una conversión del cloro del 90 %, para un caudal de alimentación de 1,5·10 -4 m3·s-1 usando la misma concentración inicial.

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D17- Se desea llevar a cabo la reacción de primer orden A R en un reactor discontinuo operando isotérmicamente. Se pretende obtener 5890,5 moles de R por día con una conversión del 99 % del reactante A alimentado. La operación de carga y de calefacción del reactor hasta la temperatura de reacción requiere 0,38 h, y descargarlo y prepararlo para la siguiente carga requiere otras 0,9 h. Calcular el volumen de 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 trabajar como máximo 13 h/día. D18- Se desea llevar a cabo la deshidrogenación de etano a etileno C2H6

C2H4 + H2

en un reactor de flujo pistón isotérmico a 750 ºC y 1 atm. de presión. La constante cinética varía con la temperatura según la expresión k(s -1) = 0,602·1015exp(-35970/T); el tiempo espacial es  = 4 s. Si la alimentación es etano puro, calcular la conversión obtenida. Comparar el resultado con el obtenido despreciando la expansión molar. D19- Una reacción de isomerización de primer orden A B es irreversible y se lleva a cabo en fase líquida en un reactor discontinuo. Calcular el volumen de reactor y el número de cargas necesarias para una producción anual de 10 4  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 to(min.) =10 (llenado) + 16 (calentamiento) + 14 (vaciado) + 30 (limpieza) Densidad = 900 kg/m3 (la densidad de la alimentación y 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 = 0,43 m 3·kmol-1·s-1. Calcular: a) el volumen de reactor para una conversión del 90%, y b) el tiempo espacial necesario para dicha conversión. D21- Un alimento gaseoso puro A, de concentración inicial 88 mmol/L a 1 atm y 25 ºC, entra en un reactor de mezcla completa. La reacción que ocurre es A ———> 3 R Determinar el orden de la reacción y la constante de velocidad a partir de los siguientes datos:

14

 (min)

-1

CA(mmol·L )

11,4 43

20,2 36

31,7 32

46,7 28

90,9 21

D22- La hidrólisis de la sacarosa se lleva a cabo en tres tanques iguales de mezcla completa en serie. H+ C12H22O11 C6H12O6 + C6H12O6 H2O (G) (F) La reacción es de primer orden y la constante k = 0,042 min -1. Calcular la conversión que se alcanza, si el volumen de cada tanque es 1,8 dm 3 y el caudal de alimentación 0,6·10 -3 m3/min. D23- Aplicación de la reacción de Diels-Alder a la reacción de butadieno con etileno en un reactor homogéneo de flujo pistón. Se sabe que el 1,3-butadieno (A) reacciona con etileno (B) en fase gaseosa y a temperatura superior a 400 ºC, vía reacción Diels-Alder, para dar ciclohexeno (C). CH2=CH-CH=CH2 + C2H4

C6H10

Si se alimenta un RFP con una alimentación equimolecular de 1,3-butadieno y etileno, a 450 ºC y 1 atm, calcular el tiempo espacial ( ) necesario para convertir el 10% de butadieno a ciclohexeno, mediante una operación isotérmica Datos La reacción es de segundo orden 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 orden. A y B son líquidos de muy baja volatilidad con un peso molecular de 250 g/mol. Ambos líquidos tienen una densidad de 900 kg/m 3 y un calor específico de 525 J/mol·K. La reacción se lleva a cabo en fase líquida en un reactor discontinuo de M C y con una conversión de 0,97. Calcular el volumen de reactor necesario para una producción anual de 10 6  kg de B, suponiendo que el reactor trabaja isotérmicamente a 436 K. La planta es operativa para 7000 h en el año. Calcular el máximo calor producido por carga. Para cada carga se necesita 10 min para llenar el reactor, 12 para llevarlo a su temperatura y 14 para vaciarlo al final del periodo de reacción. La velocidad de consumo del reactivo A por unidad de volumen de reactivo/mezcla producida, (-r A), viene dada por la ecuación cinética de primer orden (- r A) = kCA donde CA  es la concentración de A y k, a 436 K, k 436 = 0,80 h-1. El calor de reacción molar del reactivo A, HrA = -87,15 kJ/mol. D25- La reacción en fase gaseosa, irreversible A ———> 3B se realiza isotérmicamente.

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La reacción es de orden cero, la concentración de A es 2 mol/dm 3, y el sistema contiene el 40 % de inertes. La constante de velocidad es 0,1 mol/(dm 3·min). Calcular el tiempo necesario para alcanzar una conversión del 80 % en: a) Un reactor discontinuo a volumen constante.  b) Un reactor discontinuo a presión constante. Para un caudal volumétrico de 2 dm 3/min, calcular el volumen del reactor y el tiempo espacial necesario para alcanzar la conversión del 80 % en: c) Un reactor continuo de tanque agitado. d) Un reactor de flujo pistón. D26- La hidrólisis de un éster se realiza en un tanque agitado en el que entran dos corrientes, una de 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 la constante cinética es k = 0,03 m 3·molkg-1·s-1 a) Determínese el volumen del tanque para obtener una conversión del 40 %.  b) Si la corriente producto del reactor anterior se utiliza como alimentación para un segundo reactor de mezcla completa, ¿cuál sería el volumen necesario de este segundo tanque, para 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 irreversible dado por: (CH3-CO)2O + H2O ———> 2 CH3-COOH Para efectuar la hidrólisis en un 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 reacción es 5·104 cal·molg-1. La velocidad de reacción a distintas temperaturas es: Temp., ºC (-r A), mol L-1min-1

10 0,057 CA

15 0,0806 CA

25 0,158 CA

40 0,380 CA

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 alcanzar una conversión del 70 %.

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D28- Se desea diseñar un reactor continuo de tanque agitado para producir 200 millones de libras de etilenglicol al año hidrolizando óxido de etileno. Previamente, y para determinar la cinética de la reacción, se realizó un experimento de laboratorio en un 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 H2SO4 CH2 –CH2 + H2O ————> CH2OH–CH2OH (A) (B) (C) La temperatura se mantuvo a 55 ºC. La concentración de etilenglicol se midió en función del tiempo, resultando: t(min) CC(M)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

3,0

4,0

6,0

10,0

0,000 0.145 0,270 0,376 0,467 0,610 0,715 0,848 0,957

El reactor industrial operará isotérmicamente y se alimenta con una solución de 1 mollb/ft 3 de óxido de etileno en agua junto con un volumen igual de agua que contiene 0,9 % de ácido sulfúrico como catalizador. Determine el volumen que debe tener el reactor si ha de lograrse una conversión del 80 %. Se considera que no hay reacciones colaterales. Así mismo, al estar el agua en exceso, se admite que la concentración de ésta permanece constante durante todo el proceso. D29- Una mezcla de 28 % de SO 2 y 72 % de aire se carga en un reactor de flujo en el que se oxida el SO2 según la ecuación: 2SO2 + O2  ———> 2SO3 Calcule la concentración de todas las especies químicas presentes para una conversión X SO2 = 0,5 y el valor de la velocidad de reacción r SO2 para la citada conversión; supóngase una cinética de  primer orden respecto a cada reactivo, siendo la presión 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 C Ao = 10 M y CBo = 2 M. Resuélvase el problema considerando que se alcanzara una conversión de hidróxido sódico: a) del 20 %, b) del 90 %, c) ¿cuál sería la conversión X A máxima que podría alcanzarse?. Se considera una reacción en fase líquida y a densidad constante. 3NaOH + (C17H35COO)3C3H5  ———> 3C17H35COONa + C3H5(OH)3 A B C D

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D31- Se efectúa la descomposición reversible en fase gaseosa de tetróxido de dinitrógeno  N2O4, para dar dióxido de nitrógeno NO 2, a temperatura constante. La alimentación consiste 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 2O4 en un reactor discontinuo a V=cte.  b) Calcule la conversión de equilibrio de N 2O4 en un reactor de flujo. c) Suponiendo que la reacción es elemental, expresar la velocidad de reacción en función de la conversión para ambos tipos de reactores. D32- Determine el volumen de reactor de flujo pistón necesario para producir 300 millones de libras de etileno, C2H4, al año por pirólisis de una corriente de alimentación de etano puro C2H6. La reacción es elemental e irreversible. Queremos lograr una conversión del 80 % del etano, operando isotérmicamente a 1100 K y a una presión de 6 atm. Datos: k = 0,072 s -1 a 1000 K; Ea = 82 kcal/molg; R = 1,314 (ft 3·atm/mollb·K). D33- Se quiere producir 4 millones de lb/año de ftalato de dibutilo (DBP) por reacción de n butanol con ftalato de monobutilo (MBP). La reacción es elemental y se cataliza con H 2SO4. Una corriente que contiene MBP y butanol, se mezclará con el catalizador inmediatamente antes de 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 butanol es cinco veces mayor que la de MBP. La velocidad de reacción específica a la temperatura de trabajo es de 1,2 ft 3/mol-lb·h. Se cuenta con un CSTR de 1000 galones que 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 A en la alimentación. Determine el caudal volumétrico de la alimentación. ¿Qué ocurriría si en lugar de emplear un único reactor de mezcla completa, se emplearan dos reactores iguales en serie, de 1000 gal cada uno?, ¿Cuánto tiempo se tardaría en fabricar los 4 millones de lb de ftalato de dibutilo?. ¿Y si los reactores del apartado d) se asociaran en paralelo?. ¿Y si tuviera un solo 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 MBP de 1 mol-lb/min.?. ¿Qué volumen de reactor de flujo pistón sería 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 sódico para dar etilenglicol CH2OH-CH2Cl + NaHCO3  ——> (CH2OH)2  + NaCl + CO 2

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es elemental con coeficiente cinético k = 5,2 L/mol·h a 82 ºC. Basándose en estos datos, ha de construirse una planta piloto para determinar la viabilidad económica de producir etilenglicol, a partir de la mezcla de una disolución acuosa de bicarbonato del 15 % 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 suponiendo que la densidad, tanto de las disoluciones de partida como de la mezcla reaccionante, vale 1,12 g/cm 3. Repetir los cálculos para un 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 entra en el reactor a 10 atm y 127 ºC con una velocidad de flujo molar de 2,5 mol/min. Calcule el volumen de reactor y el tiempo espacial necesarios para alcanzar una conversión del 90 % en: a) un reactor continuo de mezcla completa b) un reactor de flujo pistón. D36– Se ha comprobado que los nutrientes (vitamina) contenidos en los cereales se degradan con el tiempo, siguiendo una cinética de primer orden respecto a la cantidad de nutrientes. Por tal motivo es necesario añadir más cantidad de la especificada en la caja, para garantizar que haya suficiente durante su periodo de vigencia. Cada porción de cereal (equivalente a 30 g) contiene el 20 % de la Ingesta Diaria Recomendada de la vitamina X, siendo ésta de 6500 UI (1,7·106 UI = 1 g de vitamina). Se han realizado pruebas de almacenamiento aceleradas con este cereal, con los siguientes resultados Temperatura (ºC) 45 55 65 -1 k (semana ) 0,0061 0,0097 0,0185 a) Calcular la cantidad de exceso de vitamina que necesita tener para mantener la cantidad indicada durante un año a 25 ºC.  b) si se producen10·106 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 puro en fase gaseosa con una presión total de 5 atm y a 760 ºC. La velocidad de reacción específica para la formación del difenilo es de 3114 ft 3/mol-lb·s y la constante de 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:  b.1) Para un RFP con una alimentación de benceno de 10 mol-lb/min.  b.2) Para un RCMC con la misma alimentación de 10 mol-lb/min.

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D38- 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 la conversión sea del 75%. D39- Repítase 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 un reactor de flujo pistón mediante la reacción A+B R. La cinética de la reacción viene dada por: (-r A) = 200 CA CB mol-g L-1 min-1. Calculad el volumen de reactor necesario para 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 180 L( mol-g) -1 h-1. Calculad cuántos moles-g s -1 de A, hay que aportar en la alimentación para conseguir a la salida unos valores de concentración de A inferiores a 50·10 -3 mol-mg ml-1. D42- En un reactor de 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 + CO 2

Por cada mol de propano, se alimentan 20 moles de aire. Determínese el caudal máximo de alimentación en L h -1  (medidos en las condiciones anteriores) para oxidar, al menos, 3/4 del propano alimentado. Considérese la siguiente cinética: (-r  propano) = [500 L (mol-g min) -1] C propano CO2 D43- En dos tanques agitados de 40000 L cada uno, conectados en serie, se han de tratar 100 Lh-1 de un fluido radiactivo que tiene una vida media de 20 h. Calcúlese el descenso de actividad radiactiva al paso de cada uno de los tanques. Se recuerda que el tiempo de vida media es el tiempo 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 oexp(-k t). D44- Se desea aumentar la conversión en un reactor de flujo pistón del 60% al 80%, ajustando el caudal 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 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

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asociación de reactores formada por 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 la concentración a la salida del primero es de 1 mol L -1. La reacción es 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 isotérmicamente a 150 ºC y 1 atm de presión. La reacción sigue una cinética de primer orden, siendo k = 2,46 min -1. a.- Determínese el tiempo espacial necesario para obtener una conversión del 60%.  b.- Determínese el tiempo medio de residencia. D47- Una corriente de agua residual de 3 dm 3 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 de mezcla completa trabajando en serie y en estado estacionario, a fin de reducir la concentración de dicho ácido. El primer reactor tiene un volumen de 12 dm 3. La concentración de ácido tereftálico a la salida del segundo biorreactor es de 0,01 g L -1. La cinética de desaparición del ácido puede representarse por la siguiente ecuación: ( r  A ) 

0,24 C  A 0,25  C  A

¿Qué volumen ha de tener el segundo reactor?. D48- Se desea llevar a cabo la reacción en fase acuosa: A+B  R, cuya ecuación cinética es: (-r A) = kCACB en mol m-3s-1. A la temperatura del proceso, k = 0,0125 m 3 mol-1s-1. La reacción se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón en las siguientes condiciones: volumen del reactor = 150 L; q o = 3 m3min-1; CAo = CBo = 10 mol m-3; 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 que aparecen en la tabla siguiente CA(mol L-1) (-r A)(mol L-1 min-1)

1 1,0

2 2,0

3 3,0

4 4,0

5 4,7

6 4,9

8 5,0

10 5,0

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

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CAo = 10 mol L-1, en un reactor de mezcla completa y cuyo volumen es 250 L. D50- Se desea llevar a cabo la reacción irreversible en fase gaseosa A + B  R + S, cuya ecuación cinética es (-r A) = kCACB. El reactor que se va a utilizar es de tipo pistón con un volumen de 100 L. Las condiciones de trabajo son: P T = 1 atm, T = 160 ºC, k = 250 L mol-g-1 min-1. El caudal molar total de alimentación es F 0 = 87 mol-g min-1 y dicha alimentación está constituida por 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, serían necesarios para alcanzar una conversión del 90%?. Considérese que la corriente de alimentación se reparte por 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 r E = kCHCOH, siendo k = 4,76 ·10-4 L min-1 mol-g-1, CH y COH las concentraciones de ácido y etanol respectivamente. La velocidad de la reacción inversa (hidrólisis del éster), con la misma concentración del catalizador, es: (-r E) = k'CECA, siendo k' = 1,63·10-4 L min-1 molg-1, CE la concentración de éster y C A la de agua. Para una mezcla inicial formada por masas iguales de disolución acuosa de ácido acético al 90 % y disolución de etanol al 95 %, ambos % 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 orden en fase líquida se lleva a cabo en una batería de 10 reactores de mezcla perfecta en serie, con un volumen de 15 m 3 cada uno. El caudal que se va a tratar es de 125 L min -1 y k = 0,175 h -1. a) Calcúlese la conversión a la salida de la batería.  b) Calcúlese la conversión obtenida en un reactor de flujo pistón de volumen igual al total de la batería. c) Calcúlese la conversión obtenida en un reactor de mezcla perfecta de volumen igual al total de la batería. D53- La reacción elemental irreversible en fase acuosa A + B  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 después a través de un reactor de 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 -1. Suponiendo que este tanque actúa como un reactor de mezcla perfecta, calcular la concentración de R a la salida del reactor de flujo pistón, así como la conversión de A en el sistema. Considérese la reacción de  pseudo-primer orden en A. →

D54- Se tiene un 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, en serie, un segundo reactor, igual al primero, ¿qué conversión final se obtendría?. Considérese la

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siguiente ecuación cinética: (-r A)=k(CA)1.5 D55- En un reactor discontinuo adiabático se lleva a cabo una reacción irreversible de primer de orden en fase líquida. El coeficiente cinético es: K=4.48*106exp(-15000/RT) s-1. Calcular el tiempo de reacción para alcanzar una conversión del 80%. Datos: CAo = 3 M; To = 25 ºC;

-1

CRo = 0; VReactor  = 18 L;

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

-1

;

D56- Una mezcla de 0,5 mol de vapor de agua por cada mol de butadieno (A) se dimeriza en un reactor tubular a 640 ºC y 1 atm de presión. 2A  D El coeficiente cinético de la reacción directa es k = 118 mol-g/(L h atm 2) y la constante de equilibrio es 1,27. Encuéntrese la longitud necesaria del reactor para conseguir una conversión del 10%. El diámetro interno del reactor ha de ser de 10 cm y el caudal molar total de alimentación de 9 mol-kg/h.  Nota: dada la baja conversión que se pide, se puede despreciar la reacción inversa. D57- Se utiliza un reactor discontinuo de mezcla completa y a volumen constante, para llevar a cabo la reacción isotérmica en fase gaseosa siguiente: A  P + R . El volumen del reactor es de 20 L. Inicialmente, se carga con 20 moles de A puro. a.- Si la reacción fuera de primer orden, con cinética: (-r A) = kCA, siendo k = 0,865 min-1, calculad el tiempo necesario para que el número de moles de A en el reactor sea 0,2.  b.- Por el contrario, si la reacción fuera de segundo orden:  r  A   k C  A2 , siendo k = 2 Lmol 1 min-1, calcule el tiempo necesario para consumir 19,0 moles de A. c.- Si la temperatura es de 127ºC, calcule la presión total inicial. Asimismo, calcule la presión total final cuando se haya consumido todo el reactivo. D58- La reacción exotérmica, A   P + Q, se ha llevado a cabo de forma adiabática, obteniéndose los siguientes resultados para experimentos en modo continuo de trabajo: X, (conversión)

0

0.2

0.4

0.5

0.6

0.8

0.9

(-r A), (mol dm-3 min-1)

10

10.67

50

50

50

12.5

9.09

El caudal de alimentación ha sido de 300 mol min -1. a.- ¿Qué volúmenes de reactores de flujo pistón y de mezcla completa son necesarios para 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 llevar a cabo esta reacción. ¿Existen algunas condiciones en las que sea

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indiferente la elección entre un tipo de 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, necesarios  para consumir el 99 % de A, si la velocidad molar de la alimentación es de 5 mol h -1 y el caudal volumétrico de 10 dm 3 h-1. Efectúe los cálculos para los distintos casos, suponiendo que la cinética de la reacción responde a la constante de velocidad siguiente: a)  b) c)

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

D60- La reacción elemental e irreversible 2A  P, se efectúa en fase gaseosa isotérmicamente en un reactor de flujo pistón. El reactivo A y un diluyente D, se alimentan en una proporción equimolar, siendo la conversión de A de un 80 %. Si se reduce a la mitad la velocidad de alimentación 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 pentóxido de vanadio como catalizador. De este modo,  por ejemplo, en Estados Unidos, en 1995 se obtuvieron 31.000 Tm de anhídrido. Si se emplea un reactor de flujo, en condiciones isotérmicas, con una alimentación gaseosa constituida por 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 parciales de oxígeno y de dióxido de carbono.  b.- Las concentraciones de oxígeno y naftaleno. c.- El caudal volumétrico para la producción anual antes indicada.

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D62- En dos reactores de mezcla completa, de igual volumen y colocados en serie, se desea llevar a cabo la reacción de pirólisis por la que se deshidrogena etano convirtiéndose en etileno. La alimentación al primer reactor es una corriente de 200 mol-g s -1 de etano puro. La  presión de trabajo es de 6 atm y la temperatura de 1000 K. El volumen de cada reactor es de 3000 L. A la temperatura dada, el coeficiente cinético de la reacción vale 0.072 s -1 y la energía de activación es de 82.000 cal mol-g -1. ¿A qué temperatura deberá trabajar el segundo reactor, si se desea que la velocidad de la reacción en dicho reactor sea igual a la existente en el primer reactor? D63.- Sean dos reactores de volumen 500 L, uno de mezcla completa y otro de flujo pistón. La reacción A  P, es irreversible e isotérmica, respondiendo su cinética a la ecuación (-r A) = kCA2 y siendo k = 17,4 cm3/mol-g min. La alimentación es de 447,78 L/h y con una concentración de 0,00175 mol-g/cm 3. Se pueden 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, un RMC y un RFP, alimentando la mitad del flujo de entrada a cada 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 con una velocidad de reacción dada por la ecuación (-r A) = kCA , siendo k = 0,20 min -1 . a) Calcúlese el volumen de un RMC y el  necesario para reducir la concentración inicial de A un 99 %, trabajándose con un caudal constante de 0,2 dm 3/s.  b) ¿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 m 3 h-1 de A puro, a 5 atm y 350 ºC, 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-1 de una alimentación constituida por 50 % de A y 50 % de inertes, a 25 atm y 350 ºC para 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? Supóngase flujo en pistón, despréciese la pérdida de presión y admítase que el 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 de volumen constante a 100 ºC. La estequiometría de la reacción es 2A  R + S. Calcúlese el tamaño del reactor de flujo en pistón para que, operando a 100 ºC y 1 atm, pueda tratar 100 moles de A por hora de una alimentación que contiene 20 % de inertes, para obtener una conversión del 95 % de A.

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t(s)

pA(atm)

0 20 40 60 80 100

t(s)

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

pA(atm)

140 200 260 330 420

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

D67.- Para efectuar una reacción en fase gaseosa, cuya estequiometría es 2A  R + S, se emplea un tanque de 208 litros que puede considerarse como un reactor de mezcla completa. Calcúlese la conversión de A que puede alcanzarse, para que, operando a 100 ºC y 1 atm,  pueda tratar 200 mol A h-1 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 de volumen constante y a 100 ºC. t(s)

pA(atm)

0 20 40 60 80 100

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

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

t(s)

pA(atm)

140 200 260 330 420

C 2H4 + Br 2

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

k1 

C2H4Br 2 , tiene de

k2

coeficientes cinéticos k 1 = 500 L mol -1 h-1 y k 2 = 0,032 h -1. Si un reactor de flujo en pistón se alimenta con 600 m 3 h-1 de un gas que contiene 60 % de Br 2, 30 % C2H4 y 10 % de inertes en volumen, a 600 K y 1,5 atm, calcúlese: a) La conversión máxima posible de C 2H4 en C2H4Br 2; b) El volumen de reactor necesario para obtener el 60 % de esta conversión máxima. D69.- En un reactor de mezcla completa de 1 L de volumen entran dos corrientes de alimentación gaseosa: una contiene el componente A (C Ao = 0,01 mol L-1) y su caudal es de 1 L min-1; la otra contiene el componente B (C Bo = 0,02 mol L-1) y su caudal es de 3 L min -1. En la reacción se forman una serie de productos R, S, T, ... El caudal de salida es de 6 L min -1 y el análisis de esta corriente muestra que C Af  = 0,0005 mol L-1 y CRf  = 0,001 mol L -1. 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 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)

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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 llevara a cabo en un reactor continuo de flujo pistón , calcúlese el caudal molar del compuesto P que se obtendría si:  el 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 %. D71.- En un reactor de mezcla completa, tiene lugar la reacción en fase líquida homogénea A R, de cinética (r A )  k ·C A2  y con una conversión del 50 %. Calcúlese la conversión: a) si el reactor se sustituye por otro seis veces mayor, sin modificar las demás condiciones. b) si se sustituye el reactor primitivo por otro de flujo en pistón de igual tamaño, sin modificar las demás condiciones. →

D72.- En un reactor de flujo pistón se está efectuando la reacción elemental en fase líquida A+B 2R + S. Se obtiene una conversión del 96 % con una C Ao = CBo = 1 mol/litro. Indíquese en que proporción aumentaría la producción si, a continuación del citado reactor, se añadiera en serie, un reactor de mezcla completa 10 veces mayor que el de flujo pistón. La conversión total a alcanzar con este sistema sería la misma que en el caso de un reactor único. →

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D73.- En un reactor de mezcla completa (de volumen V m) 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 lado, se dispone de un reactor de flujo pistón, de volumen V  p= 0.5 · Vm. Se está considerando la posibilidad de utilizar conjuntamente ambos reactores (en serie). Indíquese en qué proporción aumentaría la producción de la asociación de ambos reactores, respecto al caso inicial, cuando: a.- la asociación consiste en el reactor de mezcla completa seguido del de 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 constante de 1 atm. En un reactor discontinuo, partiendo de A puro, se obtuvieron los datos de la tabla adjunta: 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

Por otro lado, para llevar a cabo la reacción anterior, se desea utilizar un reactor de flujo pistón que trate una corriente de alimentación de 10 mol s -1 y en la que existe un 40% de inertes. Este reactor trabajaría a 100 ºC y 10 atm. Si se ha de obtener una conversión final del 90% de A, ¿qué volumen deberá tener este reactor? D75.- El óxido nítrico se produce por oxidación del amoniaco en fase gaseosa. 4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O La alimentación a un 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 alcanzar una producción de 600 kg de NO si se trabaja con una conversión del 50 %? D76.- La reacción en fase gaseosa, 2A + 4B  2C, que es de primer orden en A y de primer orden en B, se efectuará isotérmicamente en un reactor de flujo pistón de volumen 2,30 dm 3. El flujo volumétrico de alimentación es de 2,5 dm 3/min, siendo 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 dm 3/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 %.

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 b) Calcule la velocidad de reacción en la entrada del 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 la velocidad de reacción específica a 1227 ºC.