Problemas 2: REACTORES CONTINUOS
1‐En un reactor de mezcla completa de 1 litro de volumen entran dos corrientes de alimentación gaseosa: una contiene el componente A (CA0=0.01mol/l) y su caudal es de 1 l/min; y la otra contiene el componente B (CB0=0.02 mol/l) y su caudal es de 3 l/min. En la reacción se forman una serie de productos R, S, T… El caudal de salida es de 6 l/min, y el análisis de esta corriente muestra que CAf =0.0005 mol/l y CRf =0.001mol/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. 2‐En un reactor de mezcla completa entra continuamente una corriente A de un hidrocarburo de peso molecular elevado y se somete a craqueo térmico a temperatura elevada (reacción homogénea en fase gaseosa) dando una serie de sustancias de peso molecular más bajo, que englobamos en el término general de R. La estequiometria se aproxima a A5R. Modificando el caudal de alimentación se obtienen las distintas intensidades de craqueo dadas a continuación. FA0 milimol/h
300
1000
3000
5000
CA, salida mmol/l
16
30
50
60
El volumen desocupado del reactor es V=0.1 l y a la temperatura del reactor la concentración de la alimentación es CA0=100 milimol/l . Dedúzcase una ecuación cinética que represente la reacción de craqueo. 3‐ Supongamos que en el problema anterior la variación de densidad es despreciable es decir
=0. Determínese el orden de reacción y la ecuación cinética.
A
Nota. La comparación de los órdenes de reacción de estos dos problemas nos pondrán de
manifiestos el error cometido al despreciar el factor A. 4‐ Calcúlese el tamaño del reactor de flujo en pistón para alcanzar la conversión del 80% con una alimentación de 1000 mol A/h (CA0=1.5 mol/l), para la reacción del problema 4, hoja BSTR. 5‐ Hemos calculado que el tamaño de un reactor de flujo en pistón es necesario para un fin determinado (99% de conversión de la alimentación de A puro) era de 32 litros, suponiendo que la estequiometria era AR para una reacción de primer orden en fase gaseosa. Sin embargo, la estequiometria de la reacción es A3R. Calcúlese el volumen del reactor necesario para la estequiometria correcta. Problemas 2. Reactores Continuos
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6‐ La reacción homogénea en fase gaseosa A3R se ajusta a una cinética de segundo 3
orden. Para un caudal de alimentación de 4 m /h de A puro a 5atm y 350ºC 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 metros de longitud. En una instalación comercial se han de tratar 320 3
m /h de una alimentación constituida por 50% de A y 50% de inertes, a 25 atm y 350ºC para obtener una conversión del 80%. a) ¿Cuántos tubos se necesitan, de 2.5cm de diámetro y 2m de longitud? 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. 7‐ En un reactor de mezcla completa se efectúa la reacción en fase líquida homogénea, y tiene lugar una conversión del 50%:
‐rA=k CA2
AR
a) Calcúlese la conversión si el reactor se sustituye por otro seis veces mayor, sin modificar las demás condiniones. b) Calcúlese la conversión si se sustituye el reactor primitivo de mezcla completa por un reactor de flujo en pistón de igual tamaño, sin modificar las demás condiciones. 8‐ En un reactor experimental de mezcla se estudió la descomposición en fase acuosa de A, obteniéndose los resultados de la Tabla, correspondientes a experiencias en estado estacionario. CA0 (mol/l)
2
2
2
1
1
0.48
0.48
0.48
CAS (mol/l)
0.65
0.92
1.00
0.56
0.37
0.42
0.28
0.20
300
240
250
110
360
24
200
560
(s)
Calcúlese el tiempo de residencia necesario para obtener la conversión del 75% del reactante con una alimentación CA0=0.8 mol/l
a) En un reactor de flujo pistón b) En un reactor de mezcla completa
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9‐ A partir de los siguientes datos, dedúzcase la ecuación cinética para la descomposición en fase gaseosa A R+S que se efectúa isotérmicamente en un reactor de mezcla completa. Nº experiencia (s) basado en las alimentación.CAS (mol/l) XA (para CA0= 0.002mol/l)
condiciones
de
la
1
2
3
4
5
0.423
5.10
13.5
44.0
192
0.22
0.63
0.75
0.88
0.96
10‐ Se han obtenido los datos de la tabla en la descomposición del reactante A en fase gaseosa en un reactor discontinuo de volumen constante a 100ºC. La estequiometria de la reacción es 2A R +S. Calcúlese el tamaño de reactor de flujo en pistón (en litros) para que, operando a 100ºC y 1atm, pueda tratar 100 moles de A/h de una alimentación que contiene 20% de inertes, para obtener una conversión del 95% de A. t(s)
0
20
40
60
80
100
140
200
260
330
420
PA(atm)
1
0.8
0.68
0.56
0.45
0.37
0.25
0.14
0.08
0.04
0.02
11‐A 873K la reacción gaseosa
C2H4 + Br2
C2H4Br2
Tiene de coeficientes cinéticos: k1= 500 l/mol h ; k‐1=0.032 h‐
1
3
Si un reactor de flujo pistón se alimenta con 600 m /h de un gas que contiene 60% de Br2, 30% de C2H4 y 10% de inertes en volumen, a 873K y 1.5 atm, calcúlese a) La conversión fraccional máxima posible de C2H4 en C2H4Br2. b) El volumen de reactor necesario para obtener el 60% de esta conversión máxima. 12‐ Se ha encontrado que la reacción: Etilenclorhidrina + NaHCO3
etilenglicol + NaCl + CO2
es elemental, con coeficiente cinético k=5.2 l/mol h a 82ºC. Basándonos en estos datos, hemos de construir una instalación piloto para determinar la viabilidad económica de producir etilenglicol, partiendo de dos alimentaciones disponibles: una con solución acuosa de bicarbonato sódico de concentración 15% en peso, y otra con solución acuosa de etilenclorhidirna de concentración 30% en peso.
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a) ¿Qué volumen de reactor tubular (flujo en pistón) producirá 20 kg/h de etilen‐glicol con una conversión del 95% para una alimentación equimolar, obtenida por mezcla íntima de cantidades apropiadas de las dos corrientes disponibles?. b) ¿Qué tamaño de reactor de mezcla completa se necesita para la misma alimentación, conversión y velocidad de producción que en el apartado a)? Supóngase todas las operaciones a 82ºC, a cuya temperatura la densidad relativa de la mezcla del fluido reaccionante es de 1.02. 13. HOLMES: Dice usted que la última vez que le han visto estaba vigilando esta tinaja. SIR BOSS: Querrá usted decir “reactor de mezcla completa con rebosadero”, Mr. Holmes. HOLMES: Debe disculpar mi ignorancia con respecto a la particular jerga técnica, Sir Boss. SIR BOSS: De acuerdo, pero usted debe encontrar a “Embebido”, Mr. Holmes. Se comportaba de modo extraño, siempre estaba mirando fijamente hacia el interior del reactor, respirando profundamente y relamiéndose los labios. Era nuestro mejor operario; desde que falta, la conversión de googliox ha descendido del 80% al 75%. HOLMES: (Golpeando perezosamente la tinaja). A propósito, ¿qué ocurre dentro de la tinaja?. SIR BOSS: Una reacción elemental de segundo orden entre el etanol y el googliox, si usted entiende lo que quiero decir. Por supuesto, se mantiene un gran exceso de alcohol, en la proporción de 100 a 1, y … HOLMES: (Interrumpiéndole). Hemos investigado su posible paradero en la ciudad, y no encontramos ninguna pista. SIR BOSS: (Limpiándose las lágrimas). Si regresara “Embebido” le aumentaríamos el sueldo dos peniques por semana. Dr. WATSON: Discúlpeme, ¿puedo hacer una pregunta? HOLMES: ¿Qué pregunta, Watson? Dr. WATSON: ¿Qué capacidad tiene la tinaja, Sir Boss? SIR BOSS: 450 litros y siempre la mantenemos llena hasta el borde; por esto le llamamos reactor de rebosadero. Estamos trabajando siempre a plena carga, que resulta, como Usted sabe, lo más provechoso. HOLMES: Bien mi querido Watson, hemos de admitir que estamos en un atolladero, no disponemos de pistas aprovechables. Dr. WATSON: Ah!, pero ahí es donde está usted equivocado, Holmes. (Volviendose hacia el gerente). “Embebido” era muy corpulento, pesaba unos 115kg, ¿verdad?.
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SIR BOSS: Claro que sí, ¿Cómo lo supo). HOLMES: (Con sorpresa). Asombroso, mi querido Watson. Dr WATSON: (Modestamente) Elemental, Holmes. Tenemos todas las pruebas para deducir lo que le ocurrió al alegre muchacho, pero antes de nada, ¿podrían traerme sales aromáticas?. Con Sherlock Holmes y Sir Boss esperando impacientemente, el Dr. Watson se apoyó en la tinaja, llenón lenta y cuidadosamente su pipa, y con perfecto sentido de lo dramático, la encendió. Aquí finaliza nuestra historia. a) ¿Qué iba a manifestar, de un momento a otro, el Dr. Watson, y como llegó a esta conclusión? b) ¿Por qué nunca lo hizo?: 14. La reacción de hidrogenación en fase gas de etileno se lleva a cabo en condiciones isotérmicas e isobáricas en un CSTR. C2H4(A) + H2
C2H6
La alimentación está compuesta por cantidades equimolares de cada uno y un inerte, con un flujo de 1.5mol H2/min y CA0=0.40 mol/l. Determinar el caudal volumétrico a la entrada del reactor y el tiempo de residencia, si XA=0.85 y la reacción es de primer orden con respecto a cada uno de los reactantes (kA=0.5 l/mol min).
SOLUCIONES: 3
3
1‐ (‐rA)=7 10‐ mol/min l, rR=6 10‐ mol/min l 2‐ (‐rA)=95.7 CA 3‐ (‐rA)=33.6 CA
1.56
4‐ V=190 l 5‐ V=82.2 l 6‐ N=68 tubos 7‐ a) XA=0.75
b) XA=0.66
8‐ a) 300 s
b)1200 s
9‐ (‐rA)=8.1 CA
1.36
10‐ V=329 l 3
11‐ a) XA=0.993
b) V=84.4m
12‐ a) 862 l
b)16381 l
14‐Q=3.75 l/min
t=135min
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