Irqi Guia Tp - Parte 1

FACULTAD DE INGENIERÍA – UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS I

GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS 2003 PRIMERA PARTE (unidades 1 a 8)

1.ESTEQUIOMETRÍA

Problema 1.1 a) ¿Que relacionan los coeficientes estequiométricos de una reacción química?. b) Definir avance de reacción. ¿Cuando una reacción química llega a su máximo avance?. c) Definir una expresión adimensional para indicar el progreso de una reacción química. Comparar con el avance de reacción. Enumerar ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

Problema 1.2 Para un sistema en el cual ocurre la siguiente reacción:

CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2

para la cual se disponen inicialmente de 2 gmol de CH4 , 1 gmol de H2O, 1 gmol de CO y 4 gmol de H2 . Determinar las expresiones que vinculan el número de moles (ni) y las fracciones molares (yi) de cada una de las especies, en función del grado de avance de la reacción. Halle también la expresión de las concentraciones en función del grado de avance y las propiedades del sistema.

Problema 1.3 Para la reacción:

A (g) + 2 B (g) → C (g) + D (g ; l)

Calcular la conversión a la cual comienza la condensación de D. Expresar la concentración de A y los flujos molares de todos los componentes, en función de la conversión. Graficar CA y FD(g) en función de la conversión.. La alimentación contiene solo A y B en cantidades estequiométricas. La reacción se lleva a cabo en un reactor tubular, en condiciones isotérmicas, a 300 K y 101,3 kPa. La presión de vapor del compuesto D, a la temperatura de reacción, es de 16 kPa.

Página 1- Guía de TP Ingeniería de las Reacciones Químicas I


2. TERMODINAMICA Y EQUILIBRIO

Problema 2.1

La oxidación del dióxido de azufre para dar trióxido, se puede representar mediante:

SO2 + 1/2 O2 ←→ SO3

La alimentación con que se carga el reactor, posee la composición molar: YSO2 0,YO2

0, YN20

a) Expresar genéricamente K como función de la temperatura b) Expresar K como función de la conversión de equilibrio (suponer gas ideal). c) Haga un diagrama de flujo y construya un gráfico de Xo vs T a P=1atm.. Datos: YSO2

0 = 0.078 YO20 = 0.108 YN2

0 = 0.814 SO2 O2 SO3

∆Hº (kj / mol) -296.84 - -395.77 ∆Sº (kj / mol K) -0.248 0.206 0.257

a.102 2.14 2.97 2.41 b.105 7.44 0.614 11.9 c.108 -5.78 0.118 -9.44

D 86.7 -219 -116

Cp = a + b.T + c.T2 + d/T2 [kj/mol.K]

Problema 2.2

Para la reacción:

A (líq.) ←→ 2B (líq.) que se lleva a cabo en un reactor discontinuo, se dispone de los siguientes datos : CA

0 = 1 M, CB0 = 0, KC (298K) = 250 mol/l y CpA = 2CpB

Calor de formación de A (298K) = -10000 cal/mol Calor de formación de B (298K) = -15000 cal/mol a) Calcular la máxima conversión, que puede lograrse si el reactor trabaja a 60°C. Idem a 80°C.



c) ¿A qué temperatura se tarda menos tiempo en llegar a la conversión calculada? 3. CINÉTICA HOMOGÉNEA

Problema 3.1

Relacionar el gráfico con la ecuación química correspondiente, suponiendo en todos los casos que CAo=CBo.

1. A + B ↔ PRODUCTOS 2. A + 2B ↔ PRODUCTOS 3. A + B → PRODUCTOS y rA=k*CA 4. A + B → PRODUCTOS y rA=k 5. A + 2B → PRODUCTOS y rA=k*CA 6. A + 2B → PRODUCTOS y rA=k 7. A + 2B → PRODUCTOS y rA=k*CB

2



Problema 3.2 Para la reacción:

A + 2B → C

que se produce a volumen y temperatura constante, trazar las curvas de caída de concentración CA y CB vs. tiempo para los siguientes casos: a) mA=mB=0 , siendo mi el subórden de reacción para la especie "i". b) mA=2 y mB=0 c) mA=0 y mB=1 considerando, en cada caso: 1) A y B en relación estequiométrica. 2) nAo=nBo Indicar en cada caso, el tiempo para el cual la reacción se detiene.

Problema 3.3 En un reactor isotérmico discontinuo de volumen constante, que se alimenta con el reactivo A puro, se estudió la descomposición homogénea y en fase gaseosa del mismo.

La reacción química representativa de dicho fenómeno es:

2A →2B + C La temperatura de trabajo de dicho reactor es de 127 °C, y la variación de la presión

con el tiempo, la siguiente:

P [atm.] 3.28 4.10 4.26 4.51

T [min.] 0 10 15 30

a) Determinar el orden de reacción y la constante de velocidad específica a 127°C. b) Si se realiza una segunda corrida a 127°C y a una presión inicial de 4atm., con una

composición en la alimentación de 80% de A y 20% de gas inerte (en volumen). ¿Cuál será la conversión al cabo de 30 minutos ?



Problema 3.4 Dada la siguiente reacción en fase líquida:

2A + B ↔ C + 3D

y las siguientes expresiones cinéticas:

r1 = k1.cAo2.(1-x).(MB-x/2)

r2 = k2.cAo

2.[(1-x).(MB-x/2)-(MC+x/2).(MD+3/2.x)/Kc]

r3 = k3.cAo

1.2.[(1-x)0.8.(MB-x/2)0.4-cAo0.4.(MC+x/2)0.4.(MD+3/2.x)1.2/Kc

0.4] r4 = k4.cAo

1.2.[(1-x)0.8.(MB-x/2)0.4-cAo0.4.(MC+x/2)0.4.(MD+3/2.x)1.2/Kc]

r5 = k5.cAo

1.2.[(1-x)0.8.(MB - x)0.4-(cAo0.4.(MC+x)0.4.(MD+x)1.2)/Kc

0.4] Donde:

MB = CBo/CAo MC = CCo/CAo MD = CDo/CAo x: conversión = (CAo-CA)/CAo Kc:constante de equilibrio = exp(6.75-2500/T) (mol/V) k1 = k2 = exp(6.32-6800/T) (V/(mol.t)) k3 = k4 = k5 = exp(26.6-5800/T) ((V/mol).2.t-1)

(a) Diga: ¿cuál o cuales de las expresiones cinéticas es la correcta para expresar la

velocidad de la reacción dada, en cualquier rango de conversiones? Justifique su

respuesta.

(b) Encuentre la expresión correspondiente al coeficiente cinético de la reacción inversa

.¿Cuál es el valor de la energía de activación de dicha reacción?

(c) ¿Como debería escribirse estequiométricamente la reacción, para que se cumpla que:

k1/k2 = Kc?



Problema 3.5

Se tiene el siguiente proceso a temperatura y volumen constante. El sistema se inicia con reactivo puro y con una presión inicial de 375 mmHg y una temperatura de 35º C.

N2O5 → 4 NO2 + O2 2 NO2 ←→ N2O4

La constante de equilibrio de la segunda reacción, a esta T, es igual a 4.813 E-03 mmHg-1. Se realizó un monitoreo del proceso registrando la presión total del sistema en función del tiempo:

t (min) P (mmHg) 60 402 65 451 70 455 75 476 80 488 85 496

En base a la descripción del proceso se desea determinar, por el método diferencial, el orden y la constante cinética de la primera reacción.



4. REACTOR TANQUE AGITADO DISCONTINUO (TAD)

Problema 4.1

En un reactor TAD se lleva a cabo una reacción exotérmica en fase líquida: A → P

La temperatura inicial de la mezcla de reacción es To= 20 °C y la temperatura admisible es de Tm = 95 °C. Se desea alcanzar una conversión del 90%, para lo cual se piensa en trabajar según las siguientes políticas de operación: Politica I

Proceso isotérmico a To hasta el camino adiabático que conduce a Tm. Luego, proceso adiabático hasta alcanzar Tm. Politica II

Proceso adiabático hasta alcanzar la Tm. Luego, isotérmicamente hasta alcanzar la conversión final.Se pide:

a) Análisis cualitativo: Analice ambas políticas en un X vs T y prediga en que caso se

obtendrá una mayor producción. Indique que política insumirá un mayor gasto desde el punto de vista del intercambio calórico.

b) Halle el tiempo de reacción para cada una de las políticas propuestas. Datos: conversión final: 90% r = k.CA, con k=4.106.exp(-7900/T)(l/seg) ∆H=-40.000cal/mol ρ=1Kg/l cp=1cal/(g.°C) CAo = 4 mol/lt V = 5 m3

Problema 4.2 La reacción reversible:

A ←→ R

es elemental y tiene los siguientes parámetros cinéticos:

k01=7 seg-1 k02=5000 seg-1

E1=10000 cal/mol E2=20000 cal/mol



Si la conversión es de 0.8:

a) Indique, utilizando un gráfico de x vs T con r como parámetro, el rango en que debería hallarse la temperatura óptima de operación isotérmica, a fin de alcanzar la conversión pedida.

b) Determine dicha temperatura óptima. c) Determine el caudal de calor intercambiado por unidad de tiempo y volumen, sabiendo

que con la alimentación no ingresa producto. d) Indique, en x vs T, cual debería ser la evolución óptima sabiendo que, por cuestiones

constructivas, el reactor no soporta más de 800 K. Explique como calcularía el tiempo de operación en este caso.

Datos adicionales: ρL: 1000 Kg/m3 cp = 1 Kcal/(Kg.°C) Fracción molar inicial de A: 0.5 PMA = 100 PMsolvente = 20

Problema 4.3

La reacción en fase líquida :

A + B ←→ 2C

se lleva a cabo en un reactor discontinuo de mezcla completa adiabático. Las concentraciones de reactivos en el instante inicial son:

CA0 = 1 mol/l CB0 = 2 mol/l CC0 =0 Cuando la reacción comienza con los reactivos a una determinada temperatura, la concentración final de B es CB = 1.646 mol/l. Si la temperatura inicial de los reactivos se incrementa en 50°C, la concentración final de B resulta CB = 1.862 mol/l y la temperatura final resulta 39.2°C mayor a la temperatura final registrada en la primera experiencia. En ambos casos, la reacción se prolonga el tiempo necesario como para que un tiempo de reacción adicional no produzca cambios en el sistema. a) Calcular el ∆H de reacción b) Calcular el cambio de energía libre de Gibbs debido a la reacción a 298 K. Los siguientes valores medios pueden usarse en los cálculos sin introducir un error significativo:

ρ = 800 kg/m3

Cp = 0.5 cal/(g°C) Otros datos:

El ∆H de reacción puede considerarse independiente de la temperatura, para las T usadas en este ejercicio. Considerar Kc = exp [-∆G/(RT)] = ∏ Ciai



Problema 4.4

Dada la reacción:

A + B → C

para la que: k0=122lt/(mol.hr) Ea/R=1000 K órdenes parciales=1 que transcurre en un reactor TAD isotérmico de 1000 lt de volumen. Se pide:

a) Calcular el tiempo de reacción que maximiza la ganancia, operando a 40°C. ¿Cuál será dicha ganancia ?

b) El jefe de planta le propone trabajar a una temperatura 20°C mayor. Se sabe que en esas condiciones, el costo operativo aumenta un 10%. ¿Es conveniente la modificación ? Justifique.

Datos: CAo=CBo=1Kmol/m3 Tiempo de carga y descarga=1hr Costo por unidad de tiempo de reacción=20$/hr Costo por unidad de tiempo muerto, de carga y descarga=20$/hr

COMPONENTE PM [Kg/mol] PRECIO [$/kG]

A 70 120

B 30 140

C 100 128



Problema 4.5 En un reactor semibatch se produce hexametilentetramina (HMT) por agregado de una solución acuosa de amoníaco 25% (P/P), a un caudal de 50 Kg/h, a una carga inicial de 1000 Kg de formalina que contiene un 42% (P/P) de formaldehído. Previamente, se lleva la carga hasta 50°C, con el objeto de iniciar la reacción. La alimentación se encuentra a 25°C. Por su parte, el reactor se operará a 100°C, donde la velocidad de reacción es alta en comparación con las pérdidas de calor (temperaturas mayores no son convenientes debido a la vaporización). Las propiedades se asumen constantes e independientes de la temperatura. El reactor se refrigera mediante un serpentín interno.

Otros datos son:

∆H =-500Kcal/molHMT U =415Kcal/(h.m2.°C) Tr=25°C Dserpentin=0.0254m ρmezcla=1100Kg/m3 cpamoniaco=cpmezcla=1Kcal/(Kg.°C) 4NH3 + 6HCHO → N4(CH2)6 + 6H2O

Calcular:

a) ¿A qué tiempo de iniciada la adición de NH3 será necesario hacer circular agua por el

serpentín de enfriamiento? b) Superficie y longitud del serpentín. c) Tiempo total de reacción. d) Volumen del reactor para que se produzca la reacción completa.

Nota: Suponga que la reacción es irreversible e instantánea y que el caudal de refrigerante es tal que su temperatura no varía apreciablamente.



5. REACTOR TANQUE AGITADO CONTINUO (TAC)

Problema 5.1 Un reactor tipo tanque agitado se emplea para llevar a cabo la reacción:

A → R

cuya cinética es:

rR=k.CA [Kmol/(m3.seg)]

Operando a 100°C y con una producción de 0.4Kg/seg, determine:

a) Volumen del reactor, para una conversión del 70%. b) El calor intercambiado, si los reactivos ingresan a 80°C. c) Diga si el punto de operación cumple la condición necesaria de estabilidad.

Datos:

K = 4.106.exp(-8000/T) ∆H = -70000cal/mol PMR = 100g/mol

cp = 1000Kcal/(m3.°C) CAo = 1Kmol/m3 CRo = 0

U=1500Kcal/(m2.hr.°C)

Aserpentin = 38m2

Tref = constante Cpc del agua

Problema 5.2 Se polimeriza cierta sustancia a temperatura elevada. Si la temperatura es mayor de 105 °C, se obtiene un producto de propiedades indeseadas, lo que conduce a operar a 102 °C. A esta temperatura, la polimerización transcurre por medio de una reacción que puede representarse por una ecuación cinética de orden 1.5 con respecto al monómero. Se está tratando al monómero en dos reactores TAC, de igual tamaño y conectados en serie, obteniéndose un producto con un contenido de monómero del 20%. Se desea aumentar la producción incorporando un tercer reactor igual a los anteriores. Calcular en que porcentaje puede aumentarse el caudal de la alimentación , para seguir obteniendo un producto que no tenga más del 20% en el monómero, si el tercer reactor se conecta en serie.



Problema 5.3

Un reactor mezcla completa se usa para producir R según la reacción elemental

A ←→ R

con los siguientes parámetros para la reacción directa: k01 = 2E05 min-1 ; E1 = 10000 cal/mol y los siguientes parámetros para la reacción inversa: k02 = 5E08 min-1 ; E2 = 16000 cal/mol El reactor es operado adiabáticamente, con un parámetro J de valor medio igual a 84°C. El reactivo A ingresa a 312 K y con una CA

0 = 1 mol/l. El caudal alimentado al reactor es de 240 l/min. a) Calcule el volumen del reactor adiabático si éste se encuentra operando en el punto de máxima velocidad de reacción. Debido a que la cantidad de reactivo A no convertido a la salida del reactor es muy alta (a propósito, ¿cuál es la conversión de A en estas condiciones?), el proceso de purificación del producto R resulta muy costoso. Por esta razón, se desea obtener un efluente del reactor tal que la conversión de A llegue al 60%. Para lograrlo, se agregará un segundo reactor TAC en serie con el primer TAC adiabático. Este segundo reactor podrá diseñarse para operar en forma isotérmica o adiabática. b) Calcule el volumen del segundo reactor si operará isotérmicamente c) Calcule el volumen del segundo reactor si operará adiabáticamente d) Explique los resultados obtenidos representando la operación de los reactores en gráficos (X vs. T) y (1/r vs. x)

Problema 5.4

Se posee un sistema de dos reactores TAC adiabáticos conectados en serie, en los que transcurre la reacción:

A(g) → B(g) + C(g) irreversible y endotérmica. El reactivo A se introduce puro, y su concentración es de CAo = 0.1 mol/litro. A la salida del primer reactor, su concentración es de CA1 = 0.06 mol/litro. Las temperaturas a la entrada y salida de los reactores son, respectivamente: T0 = 500 °C T1 = 300 °C T2 = 200 °C Considerando que la mezcla se comporta idealmente y que todos los tanques deben trabajar a la misma presión, se pide: a) Calcular la conversión a la salida del sistema. b) Calcular el mínimo valor posible de T2.



Problema 5.5

Imagínese Ingeniero de procesos de una empresa dedicada a fabricar el producto B a partir de A mediante la reacción, en fase líquida homogénea:

BA↔

El proceso se lleva a cabo en un TAC adiabático al cual ingresa reactivo A con una concentración de 3 mol/lt., a 20°C. La conversión de salida es del 70% y no puede variar jamás (las razones las desconoce, pero esta exigencia la debe cumplir al pie de la letra, so pena de perder el puesto). A su jefe se le ocurre (o se lo pidió el gerente, vaya ud. a saber...) que la producción debe aumentarse (sin alterar la conversión) y sugiere para ello intercambiar calor entre la corriente de alimentación y el efluente. Su jefe le pide que: 1- Verifique la producción de B en las condiciones actuales de operación. 2- Analice cualitativamente la situación y prediga si la producción puede efectivamente

aumentarse (su jefe lo ve medio desorientado y, con gesto suficiente, le sugiere que trabaje con el gráfico de x vs T).

3- Calcule la producción en las nuevas condiciones. 4- Calcule el área de intercambio necesaria para la nueva situación. 5- Sabiendo que, en las condiciones actuales, el reactor opera en condiciones estables, emita

alguna opinión (justificada, naturalmente) acerca de la estabilidad del nuevo punto de operación, dado que no piensa gastar ni un mango en automatización.

Datos: ∆H = -8000Kcal/Kmol

k1 = 1.108EXP(-5000/T) [min-1] k2 = 5.1012EXP(-9000/T) [min-1] r = k1.CA - k2.CB V=175lt cpmedio = 0.8cal/(g.°C) ρ = 1000g/lt U = 115000cal/(min..m2. K)



6. REACTOR FLUJO PISTON IDEAL (FPI)

Problema 6.1 La reacción en fase gaseosa homogénea:

A → 2B se efectúa a 100°C y a presión constante (1atm), en un reactor discontinuo experimental, obteniéndose los datos de la tabla que se adjunta, cuando se parte de A puro. Calcúlese el tamaño del reactor industrial de flujo en pistón necesario si se trabaja a 100°C y 10 atm., con una alimentación que tiene un caudal de 10 mol/s y contiene un 40% de inertes, sabiendo que se desea una conversión del 90%. Considere gas ideal. t[min] 0 1 2 3 4 5 7 9 10 11 12 13 14

V/Vo 1.00 1.20 1.35 1.48 1.58 1.66 1.78 1.86 1.88 1.91 1.92 1.94 1.95

Problema 6.2

La reacción en fase gaseosa:

A → 3R se ajusta a una cinética de segundo orden. Para un caudal de alimentación de 4m3/hr de A puro a 5atm y 350°C, se obtiene una conversión del 60% de la alimentación, en un reactor experimental constituido por un tubo de 2.5cm de diámetro y 2m de longitud. En una instalación comercial se han de tratar 320m3/hr de una alimentación constituida por 50% de A y 50% de inertes, a 25atm y 350°C, para obtener una conversión del 80%. Se desea saber: ¿Cuántos tubos de las características mencionadas se necesitan.¿ Deberán conectarse en serie o en paralelo? Nota: Suponer FPI. Despreciar las pérdidas de carga en las cañerías. Suponer comportamiento ideal de la mezcla gaseosa.



Problema 6.3

La reacción: A + B → C, que se produce en fase líquida y es exotérmica se quiere llevar a cabo en un reactor FPI (en escala de laboratorio) de 0.69 cm de diámetro. Las condiciones de alimentación serán:

CAo=2.10 mol/lt. CBo=46.43mol/lt. To=290 K FVo=9.5cm3/min

a) Determinar los perfiles de T=T(z) y xA=xA(z), si el reactor opera en forma adiabática. b) Idem si el reactor, con forma de serpentín, se sumerge en un recipiente agitado por

donde circula agua cuya temperatura se mantiene constante a 10°C. Datos: r=k*CA*CB k=105.233-2323/T [lt/(mol.min)] ∆H =-9000 cal/molA ρ=1.05g/cm3 cp=0.88cal/(g.°C) U =0.67cal/(m2.seg.°C)

Problema 6.4 Para aumentar el rendimiento de una reacción se propone recircular una parte de la corriente de producto que sale del reactor de flujo en pistón. La alimentación entra a 14 ºC; calcúlese la relación de recirculación mas adecuada y el aumento de producción de la reacción, si lo hay, que se logra con esta modificación.

Datos:

A ←→ R

k1=exp(17,2-5800/T) (min-1) k2=exp(41,9-14800/T) (min-1) K=exp(9000/T-24.7) Fase líquida FPI adiabático xAf = 0,8 cp = 250 cal/(molA.K) (-∆Hr) = 18.000 cal/molA F = 1000 mol/min de A puro CA0 = 4mol/lt



7. COMPARACIÓN Y COMBINACIÓN DE REACTORES

Problema 7.1

Se desean producir 90 kg/h de B a partir de la reacción en fase líquida : A → B , irreversible y exotérmica. La corriente de salida deberá tener una conversión de A del 60 %. Se pide:

a) Calcular la conversión para la cual la velocidad de reacción es máxima en operación adiabática, para una corriente que ingresa al reactor a 300 K.

b) Ordenar los siguientes reactores en orden creciente de volumen requerido para lograr la producción de B antes mencionada

Reactor mezcla completa adiabático Reactor flujo pistón adiabático Reactor flujo pistón adiabático con reciclo y relación de reflujo R = 5

(No es necesario calcular el volumen de cada reactor, sino simplemente ordenarlos)

c) Dentro de la lista obtenida en el item (b), incorporar en el lugar correspondiente a los reactores que se indican a continuación:

d) 2 reactores mezcla completa adiabáticos (de igual volumen) conectados en serie;

obviamente, considerar el volumen total para la comparación Reactor flujo pistón adiabático con reciclo y relación de reflujo R = 1

Datos:

CA0 = 1 mol/l

CB0 = 0

PMB = 60 g/mol J = 60 °C.l/mol k [h-1] = 1E08 * exp (-6000/T), con T [=] K

Problema 7.2

En un reactor TAC se estudió la descomposición de A, obteniéndose los resultados detallados en la siguiente tabla, evaluados a temperatura constante y en fase líquida.:

CA(entrada) [mol/lt] 2 2 2 1 1 0.48 0.48 0.48 CA(salida) [mol/lt] 0.65 0.92 1.00 0.56 0.37 0.42 0.28 0.20

T[seg] 300 240 250 110 360 24 200 560

Calcúlese el tiempo de residencia necesario para obtener una conversión de reactivo igual al 75%, si la concentración inicial del mismo es de 0.8 mol/lt:

a) En un reactor de flujo en pistón. b) En un reactor de mezcla completa.



Problema 7.3

Se había calculado que el volumen de un reactor FPI isotérmico,para lograr el 99% de conversión de A, era de 82 lt,suponiendo que la estequiometría de la reacción fuera: A(g) → 3R(g). Sin embargo, la estequiometría correcta es: A(g) → R(g) De acuerdo con esto, se pide: a)Calcular el volumen de reactor necesario para obtener dicha conversión, sabiendo ahora que la estequiometría de la reacción es la última mencionada. Compare el nuevo volumen obtenido y justifique la discrepancia con el anterior. b)Hallar el volumen de FPI que se necesitaría para una conversión del 90%. Nuevamente compare y justifique. c)Utilizando un TAC del mismo volumen que el FPI del ítem "a", halle las conversiones que se obtienen con la estequeometría correcta y con la errónea. Compare y justifique. d)Si se operara el FPI de a) con una corriente de reciclo de caudal igual al de la entrada, cuál sería la conversión de salida del sistema?. e)Compare los resultados obtenidos.

Datos: La reacción es de primer orden respecto de A. El sistema se comporta en forma isotérmica. La alimentación es la misma en todos los casos y no contiene R. Puede admitirse comportamiento ideal de los gases.

Problema 7.4 Se esta efectuando la siguiente reacción elemental, en fase líquida e isotérmicamente:

A + B → 2R + S

en un reactor FPI, con CAo=CBo. La conversión es del 96%.

a) Indique en cuanto se incrementaría la producción si se añadiera un reactor TAC operando isotérmicamente en serie con el anterior, de volumen 10 veces mayor.

i)Colocando el TAC aguas abajo del FPI.

ii)Colocando el FPI aguas abajo del TAC.

y manteniendo, en ambos casos, la conversión original.

b) Decida: ¿cuál de las opciones anteriores elegiría, con el objeto de maximizar la producción?. Justifique.



Problema 7.5

En un reactor tubular se lleva a cabo la reacción en fase acuosa

RAA .Ck.C )(-r :es cinéticaecuación cuya R BA =→+ ; (mol/m3.s) Las condiciones de operación son las siguientes: Caudal: 3 m3 /min; CA0 = CB0 = 9.5 mol/m3; CR0 = 0.5 mol/m3. A la temperatura del proceso k = 0.0125 m3/mol.s. ; ρ = 1200 Kg/ m3. Diámetro del reactor: 0.6m; Volumen: 903.5 litros

Con estos datos se pide:

a) Calcular la conversión a la salida del reactor FPI.

b) Calcular el tamaño del reactor TAC necesario para alcanzar la misma conversión.

c) ¿Para qué conversión de salida, se igualan el volumen del TAC y el del FPI?. ¿Cuál es dicho volumen?

d) Si tuviese que utilizar los reactores del punto anterior en serie, con el fin de aumentar la producción y operando con el mismo caudal. ¿Cuál colocaría primero? Justificar.

Si se quiere alcanzar una conversión del 85%, ¿qué volumen de reactor FPI es necesario?.Manteniendo la conversión de salida, considere si un reciclo en el FPI aumenta la producción (justificar). Encontrar la expresión que optimizaría la producción en función de la relación de reciclo (R). Plantear todos los balances necesarios.

Página 18- Guía de TP Ingeniería de las

XA z (m) FPI0,00 0,0000,05 1,0170,10 1,6550,15 2,1370,20 2,5350,25 2,8820,30 3,1960,35 3,4880,40 3,7670,45 4,0380,50 4,3070,55 4,5790,60 4,8580,65 5,1510,70 5,4670,75 5,8160,80 6,2170,85 6,7040,90 7,3540,95 8,407

Reacciones Químicas I


8. REACCIONES MÚLTIPLES

Problema 8.1 En un reactor TAD se lleva a cabo una reacción elemental en fase líquida :

→ R rR=k1*CA A → S rS=k2*CA → T rT=k3*CA

donde R es el producto deseado, se pide :

a) Analice cualitativamente en que rango de temperaturas deberá operarse el TAD (Temperaturas altas, intermedias o bajas ).

b) Determine una expresión de T = T ( Ei , k0i ), para la cual el rendimiento fraccional instantáneo de R respecto al reactivo consumido, sea máximo.

c) Determine el valor de la temperatura óptima de operación, si el reactor trabaja isotérmicamente.

Datos:

E1 = 2277 cal/mol K01 = 1.13 * 103 min-1 E2 = 1423 cal/mol K02 = 4.26 * 102 min-1 E3 = 5692 cal/mol K03 = 5.60 * 104 min-1

Suponer que la mezcla gaseosa se comporta idealmente.

Problema 8.2

Sea el siguiente sistema de reacciones:

k1 k2 A → B → C

Donde k1=0.15min-1 y k2=0.05min-1 y ambas reacciones son de primer orden. Sabiendo que se dispone de un caudal de alimentación de 5 ft3/min de A puro, y considerando que la densidad permanece constante, se pide: Ordenar los siguientes sistemas de operación, en orden descendente de producción de B.

a) Un reactor TAC de V=10 ft3 b) Dos reactores TAC en serie de V=5 ft3 cada uno. c) Dos reactores TAC en paralelo de V=5 ft3 cada uno, dividiendo la alimentación en

partes iguales. d) Un reactor FPI de V=10 ft3. e) Justifique su elección cualitativamente y cuantitativamente.



f) Calcule los volúmenes óptimos de operación.( En términos de maximizar “B” )

para un reactor TAC y un FPI. g) Analice como variarían los resultados obtenidos si, operando a otra temperatura, se

pudiese lograr que k2/k1=3 Nota: Considere en todos los casos que se opera en forma isotérmica.

Problema 8.3

Sea el siguiente sistema de reacciones en fase líquida: A + B → C r1 = k1.CA.CB C + B → D r2 = k2 .CB

En una operación discontinua e isotérmica, se alimenta un reactor TAD con una solución

de 0.1 mol/lt de A y gran exceso de B, obteniéndose, luego de 10 minutos de operación, CA=0.05 mol/lt y CC=0.03 mol/lt. Se pide :

a) Hallar la relación k2/k1. b) Determinar la máxima concentración de C que puede obtenerse y el tiempo

necesario para ello. Diga cuánto vale CA en ese momento.

Problema 8.4

Sea la reacción en fase líquida :

→ R k1 = 1, orden 2 A → S k2 = 10, orden 1 → N k3= 1, orden 0

donde S es el producto deseado.

Se dispone de un caudal de alimentación de 100 lt/min, con CA0 = 5 mol/lt. El Ing. Cavenaghi piensa que, con el objeto de maximizar la producción de S, debe

utilizarse un TAC, por otra parte el Ing. Demichelis sostiene que sería mas apropiado un reactor TUB.

a) b)

¿ Qué opción elegiría usted ?. Justifique, hallando la producción en ambos casos. Si dispone de ambos reactores, ¿ cómo los colocaría, para mejorar la producción?. Hallar la nueva producción.



INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS I GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS 2002

SEGUNDA PARTE (unidades 9 a 12) 9. REACTORES REALES

Problema 9.1

a) Suponga que usted estima la conversión de un reactor industrial sobre la base de un

modelo de flujo ideal, pero encuentra que su estimación no coincide con la conversión real.¿A que puede atribuir esa discrepancia?.

b) ¿Que experiencia puede hacer, en laboratorio, para confirmar la idealidad de flujo en un reactor?.

c) Las siguientes figuras representan la respuesta idealizada ante una entrada en disparo de

un trazador:

1 2

tmediotmedio

C1)Determine las causas a que puede deberse la aparición de las siguientes curvas de respuesta, si ud. espera que el flujo se aproxime al flujo en pistón.

3 4

tmediotmedio



5 6

tmedio

tmedio

+tmedio es el correspondiente al esperado.

7

tmedio

9

tmedio

8

tmedio

10

tmedio

C2)Idem TAC. d) ¿Qué entiende por micro y macrofluído?. ¿Qué efecto tienen estos conceptos en un TAD,

en un TAC y en un FPI ?



Problema 9.2

Se ha diseñado un recipiente especial, para emplearlo como reactor en reacciones de primer orden en fase líquida.

Como se sospecha que en este recipiente el flujo no sería ideal, se hicieron ensayos con

un trazador, para estimar la magnitud del desvío. Se obtuvieron las siguientes lecturas de concentración, que representan una respuesta continua a la salida del recipiente, para una función delta de entrada del trazador.

C 0 3 5 5 4 2 1 0

t [seg] 0 5 10 15 20 25 30 35 Concentración en unidades arbitrarias. Sabiendo que la conversión en un T.A.C., empleando el mismo tiempo espacial, fue de

82,19 %, determinar:

a) El valor de tmedio . b) El gráfico de E = f( t ) c) El valor de k. d) La conversión para un FPI. e) La conversión para el sistema real. Modelo de dispersión f) i) Calcule el módulo de dispersión D/(u.L) a partir de la DTR dada.

][ ] [2

22

2

22

22 )/exp(1)/(2)/(2

tC

Cty

t donde

DLuLuDLuD

i

ii −⋅

==

⋅−−⋅⋅⋅−⋅⋅=

∑∑σ

σσ

σ

θ

θ

ii) Determine la conversión predicha por este modelo, de acuerdo con:

[ ][ ]

( ) [ ] ( ) [ ][ ] 5.0

220

)2/(exp1)2/(exp1

/)2/(exp4

L)(u / Dk41a

DLuaaDLuaab : donde

bDLuaCC

A

A

⋅⋅⋅⋅+=

⋅⋅⋅−⋅−−⋅⋅⋅⋅+=

⋅⋅⋅⋅=

τ

Modelo de tanques en serie g) i) Determine el número de reactores TAC en serie que responden a la DTR

dada.



N/12 =θσ

ii) Prediga la conversión que arrojará este modelo sabiendo que:

( ) N

A

AN NkCC −⋅+= /1

0

τ

Problema 9.3

A un reactor continuo se le inyecta un pulso de trazador obteniéndose la siguiente respuesta temporal a la salida:

( )

≤⟨≤⟨≤≤⋅

t de valor otro cualquier para 0 17,5 t 7,5 para t-17,5 7,5 t 5 para 10

5t0 para t2

tC )(

a) Encontrar la expresión de la curva E (t), y graficarla. b) Encontrar la expresión de la curva F (t), y graficarla c) Calcular el t MEDIO de ese reactor. d) En ese reactor se llevará a cabo una reacción de 2° orden en forma isotérmica, siendo el

valor de (k.CA0) = 0.2 tiempo –1 . Se pide calcular:

1) La conversión en ese reactor. 2) La conversión alcanzada en un FPI y en un TAC.

Problema 9.4 Se está estudiando una polimerización que tendrá lugar en un reactor continuo, al cual se dosificarán 36 m3/h de una suspensión de gotas del monómero en un líquido inerte. De este modo, el sistema puede visualizarse como completamente segregado, siendo CM

0 la concentración del monómero en las gotas alimentadas. Un estudio sobre el comportamiento fluidodinámico del reactor reveló que ningún elemento de volumen permanece en el sistema más de 10 minutos; los valores experimentales obtenidos permiten ajustar con gran precisión la curva F(t) mediante un polinomio del tipo at2 + bt + c, con a < 0. Se sabe que la reacción de polimerización es irreversible, que sigue una cinética de segundo orden respecto a la concentración del monómero y que su Ea = 14000 cal/mol. Además, a la temperatura de trabajo (300 K), (k·CM

0) = 0.1 min-1. Calcular: (a) La conversión media (χMEDIA) y el volumen del reactor. (b) La mínima temperatura a la que debe operar el reactor para asegurar una χMEDIA ≥ 50%.



(c) ¿A cuál de los dos modelos ideales de flujo se asemeja más este reactor?. A fin de incrementar la conversión, ¿es conveniente intentar eliminar la segregación?



10. REACTORES FLUIDO-FLUIDO

Problema 10.1 1. Mencione brevemente las hipótesis principales en que se basa la teoría de la doble película. 2. Indique el régimen cinético que caracteriza los siguientes perfiles comentando sobre:

zona donde se lleva a cabo la reacción. tiempo de reacción (instantánea, rápida, lenta, muy lenta). orden de la reacción. diferencia entre los perfiles 1-5, 2-4 y 3-6.

pA

GAS LIQUIDO

CA

CB

1

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDO

CA

CB

2

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDOCA

CB

3

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDO

CB

4

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDO

CA

CB

5

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDO

CB

6

INTERFASE

CA



Problema 10.2

Una impureza A contenida en un gas ha de reducirse de una fracción del 1% (yAo=0.01) hasta 2 ppm (yAf=2E-6), por contacto en contracorriente con un líquido que contiene un reactante B. La concentración de éste en la corriente líquida es de 150mol/m3. Se sabe que: kAg.a=32000mol/(h.m3.atm.) kAl.a=kBl.a=0.2h-1 L=7E5mol/(h.m2) G=1E5mol/(h.m2) HA=2.5E-4atm..m3/mol CT=56000mol/m3 PT=1atm. La estequiometría es tal que:

A + 2B → P sabiendo además que la reacción es instantánea e irreversible. Se pide: a) Calcular la altura necesaria de la torre. b) ¿Qué recomendación se podría hacer respecto de la concentración del reactante en fase

líquida, que puedan conducir a hacer más económico el proceso?. c) ¿Qué concentración de entrada de B dará la altura mínima de la torre?. ¿Cuál es esa altura?.

¿Qué pasa si se utiliza concentraciones mayores?.

Problema 10.3

Ud. es Ingeniero de procesos y trabaja en una fábrica que produce propileno grado polímero (99% de pureza). La empresa vecina (Cardozo y Cia.) le ofrece una corriente de salida de su depropanadora a una fracción molar de propano de 0.45, a precio muy conveniente y con abastecimiento regular. Ud. dispone en fábrica de una torre de 10m de altura, actualmente en desuso, que podría eventualmente recibir la corriente de Cardozo y Cia. y dejarla en condiciones para ingresar a su proceso, que trabaja a una fracción molar de propano de 0.30. El propano puede absorberse tratándolo en contracorriente con el solvente B, según la reacción:

CH3CH2CH3 + ½B → Productos

Se pide: a) Podría inferir: ¿cuál es el mecanismo de absorción para cada intervalo de XB, de acuerdo a la

expresión dada a continuación?

0.25x si1)1).(p(8.x0.25x si 1)3.(p0x si 1p

r

BC3B

BC3

BC3

<++≥+=+

=



donde r[=]mol/(h.m3) y pC3 indica presión de propano. b) ¿Podría la torre propuesta recibir la corriente de propano y dejarla en condiciones de proceso? c) En caso de que la respuesta sea negativa:

c1) ¿Qué parámetros podría modificar para utilizarla? c2) ¿De qué altura diseñaría una torre que cumpliera con los requerimientos de proceso?. c3) ¿Serviría, para la torre diseñada en c2), una corriente de solvente de 25mol/(h.m2) con una xB=0.4?. Justifique. Si no sirve, proponga una solución alternativa.

Datos: G=60mol/(h.m2) p=1atm a=1m2/m3

Problema 10.4 Una base A que se encuentra en fase gaseosa se desea absober en agua. Para favorecer la absorción se agrega un ácido B al agua, de manera que la corriente de entrada tiene una CB

O = 2M. Se dispone de un caudal másico de 0.01 kg/s de esta solución, cuya densidad puede tomarse como la del agua. La corriente gaseosa de entrada tiene una fracción molar de A igual a 3.98E-02, y se desea que la fracción molar de salida no sea mayor a 1E-04. a)Determinar la altura de líquido dentro de un tanque de burbujeo (de 5 m2 de sección) para poder cumplir este servicio. b)Si se diseñara una columna rellena (en lugar del tanque de burbujeo), indicar las expresiones cinéticas que utilizaría y el rango de yA para el cual son válidas cada una de ellas. Datos: (GM

O / MO) = 0.5 mol/s P = 1 atm HA = 40000 atm.cm3 / mol kAg = 8E-06 mol / (atm.cm2.s) kAL = 6E-05 cm/s kBL = 4E-05 cm/s a = 1 cm2 / cm3 La reacción es:

A (g) + B (l) → PRODUCTOS



11. REACTORES SÓLIDO REACTIVO-FLUIDO

Problema 11.1 ¿Cuál es el valor de verdad de las siguientes afirmaciones? a)En el modelo de la conversión progresiva se supone que:

i)El gas reaccionante penetra y reacciona simultáneamente en todo el volumen de la partícula sólida. ii)La partícula cambia de tamaño con el tiempo. iii)Es más aplicable cuando la velocidad de reacción es alta comparada con la velocidad de difusión.

b)En el modelo del núcleo sin reaccionar se supone que:

i)Durante el transcurso de la reacción habrá un núcleo sin reaccionar en el sólido cuyo tamaño es constante. ii)Hay una zona de reacción que se desplaza hacia el interior del sólido dejando atrás las cenizas. iii)Se aplica mejor a sólido reactivo poroso cuando la velocidad de reacción es baja comparada con la velocidad de difusión.

c)Para evaluar la velocidad global de reacción debemos considerar tres etapas que se producen en paralelo:

-Difusión desde el seno del gas hasta la superficie de la partícula. -Difusión a través de la capa de cenizas. -Reacción química sobre la superficie del sólido.

d)Tomando en cuenta los tres procesos que se producen se puede obtener una expresión de la velocidad global que vincula el tiempo de reacción y la conversión del reactivo sólido. e)La etapa controlante de la velocidad de reacción será aquella cuya velocidad sea mayor. f)A medida que avanza la reacción, la resistencia a la transferencia de masa que opone la ceniza va disminuyendo. g)Dado que la etapa química depende mas de la temperatura que las físicas, se pueden hacer experiencias a distintas temperaturas para determinar si ésta es la etapa controlante. h)Cuando se forma ceniza adherente, la resistencia en la película gaseosa que rodea al sólido puede



despreciarse. Problema 11.2

La reducción con hidrógeno del óxido de hierro, de ρ=4.6g/cm3 y 5mm de radio, puede representarse, aproximadamente, por el modelo del núcleo sin reaccionar. Cuando no hay vapor de agua presente, la estequeometría de la reacción es:

4H2 + Fe3O4 → 4H2O + 3Fe siendo la velocidad, aproximadamente proporcional a la concentración de hidrógeno en la corriente gaseosa. Otake y col. han estudiado el coeficiente cinético de esta reacción de primer orden, encontrando que:

ks=1.93E5.exp(-24000/(R.T)) [cm/seg.] Se considera despreciable la resistencia a la transferencia de masa en la película gaseosa que rodea al sólido. Se pide: a)Tomando Def =0.03cm2/seg como valor medio del coeficiente de difusión del hidrógeno a través de la capa de producto, calcúlese el tiempo necesario para la conversión completa de una partícula de óxido a metal, a 600°C. La presión es de 1 atm.. b)Indique si alguna de las resistencias es la controlante cuando la conversión es completa. En caso contrario, indique la importancia relativa de las mismas.

Problema 11.3 Se han llevado a cabo ciertas experiencias en un sistema sólido reactivo-gas. Para ello se emplearon pastillas esféricas de distintos radios y se variaron las condiciones operativas, obteniéndose los resultados que se muestran en el siguiente cuadro:

t[min.] T[K] vgas[m/s] conversión radio[cm]

6 573 2 0.20 2

10 673 4 0.81 2

10 673 2 0.80 2

5 673 2 0.80 1

Se desea saber: a)¿Qué características deben poseer el sólido y la reacción química para que sea válido plantear el



modelo heterogéneo? b)A partir de esta información, determine que tipo de control ha prevalecido en las experiencias. Explique el razonamiento seguido para determinarlo. c)Utilizando los mismos datos, calcule la conversión que se obtendría si se alimenta una cinta transportadora de 10m de largo, con una carga del mismo material que contenga 30% de pastillas de 1cm y 70% de pastillas de 2cm de radio. La velocidad de la cinta es de 1m/min. y la temperatura de trabajo es de 623K. d)Estime el tamaño de partícula para el cual se alcanzaría la conversión completa a la salida del reactor.

Problema 11.4

Una alimentación tiene las siguientes características:

Fracción radio [µ] Tcc [min.]

30% 50 5

40% 100 10

30% 200 20 Tcc:tiempo de conversión completa. a)Calcule la conversión de los sólidos en el reactor para un caudal de alimentación de 1kg/min. de sólidos, si el lecho contiene 10kg de los mismos. Los sólidos son consistentes y no cambian de tamaño ni de peso durante la reacción. Se emplea un ciclón para separar los finos arrastrados por la corriente gaseosa, que son retornados al lecho. Pueden despreciarse las variaciones de composición de la fase gaseosa a través del lecho. b)Repetir el cálculo si se suprime el ciclón. El coeficiente de velocidad de elutriación, en las condiciones de operación y para esta altura de lecho, se estima en:

K.r2=500µ2/min.

Problema 11.5 Un reactor como el de la figura tiene una alimentación constituida por partículas sólidas de tres tamaños diferentes, que no cambian su tamaño ni peso durante la reacción. El mismo opera en estado estacionario. El gas fluidizante es el reactante en la fase gaseosa.



Temperatura de operación: T1

Velocidad del Gas: 2 m/s

R1=0,5.R2

R3=7.R1

Tiempo de conversión completa para

partículas de Radio1 = 5 minutos

REACTOR

F2

F1Fo

GAS

La distribución de tamaños en las corrientes F1 y F2 del reactor son las siguientes:

0,13

0,070,05

0

0,1

0,2

R1 R2 R3

F 2(R

i)/F O

0,05

0,2

0,5

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

R1 R2 R3

F 1(R

i)/F O

1. Dar la distribución de tamaños en la corriente de entrada. Experiencias en el laboratorio permiten concluir que para las partículas de mayor tamaño la etapa que controla es la difusión en la película gaseosa. A continuación se dan los registros observados para los distintos tamaños: Experiencia Temperatura Vg m/seg Radio tiempo Conversión

1 T1 2 R1 1 x1 2 T1 2 R3 20 x1 3 T1 2 R2 2 x1 4 T1 4 R3 10 x1 5 T1 4 R2 2 x1

2. Determinar el tiempo de conversión completa para las pastillas de tamaño R2 y R3. ¿Qué etapa controla la velocidad para cada uno de estos tamaños? Se realizaron ensayos con trazador y los resultados obtenidos son:



Distribución de edades en F2 para R1

0,7

0,20,1

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

4 5 6

Tiempo (min)

E


0,25

0,5

0,25

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

4 5 6

Tiempo (min)

E


0,1

0,350,55

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

4 5 6

Tiempo (min)

E


0,6

0,2 0,2

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

5 6 7

Tiempo (min)

E


0,25

0,55

0,2

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

5 6 7

Tiempo (min)

E


0,1

0,6

0,3

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

5 6 7

Tiempo (min)

E

2. Calcular la conversión media para las partículas de tamaño R2 en la corriente F2. 3. Calcular la conversión media de toda la operación.



12.CATALISIS HETEROGENEA

Problema 12.1 Se ha determinado que la verdadera densidad del material sólido de un catalizador de alúmina es de 3.675g/cm3. El área superficial, determinada por el método de absorción, es de 175m2/g. Por otra parte, la densidad de pastilla, determinada por el método del mercurio, es de 1.574g/cm3. Con esta información calcule: a)El volumen de poros por gramo. b)La porosidad de las pastillas. c)El radio medio de poros. d)¿Qué porción corresponde al espacio vacío intraparticular y cuál al interparticular, expresados como fracción del volumen total de lecho? La densidad global del lecho, determinada mediante una probeta, es de 0.81g/cm3.

Problema 12.2 En base a las siguientes experiencias de laboratorio, realizadas a Tg=500:

Diametro [cm] robservada [mol/(L.min)]

polvo 0.0040

1 0.0038 y utilizando, para un reactor a escala industrial, las pastillas de 1cm de diámetro, evaluar: a)Si es correcto tomar la decisión de despreciar los efectos térmicos en película externa, en estas condiciones. b)Si se desea una velocidad rvp un 20% mas alta que en la segunda experiencia, considerando condiciones isotérmicas en la pastilla, a qué Tg se debería trabajar, manteniendo la misma CAg? c)Al cabo de un año, por problemas de desactivación irreversible, se debe renovar el catalizador. Se presentan entonces, tres alternativas de compra, a elegir, de un catalizador similar al usado, pero con las siguientes modificaciones: Tipo 1:Otra geometría, 0.5cm de diámetro, ε=0.75. Tipo 2:Igual al anterior, pero con menor kef. Tipo 3:Idem anterior, pero en este caso soporta una Tmax=550 K. Analice cualitativamente que efecto tendría sobre rVL cada una de las alternativas. ¿Cuál elegiría, con el objeto de minimizarla?. Reacción:

A → P orden 1



Datos:

h=5E-2cal/(cm2. K.seg.), constante en el rango de trabajo. Pastillas esféricas, con Tsinterización=520K. Def=0.13cm2/seg. ∆H=1000cal/mol Ea=5000cal/mol Considerar despreciable la caída de presión en la película.

Problema 12.3

Se realizaron distintas experiencias a temperatura constante con un catalizador comercial de ρp=3g/cm3 y simetría esférica, cuyos resultados se muestran en la siguiente tabla:

Experiencia Diámetro [cm] rm [mol/gcat.min.)]

1 10 0.4E-5

2 4 1.0E-5

3 1 4.0E-5 Suponiendo que en la experiencia N° 3 el control era químico, se determinaron: n: orden de reacción =1.5 Ea: energía de activación = 4000 cal/mol

a) ¿Fue correcta la hipótesis asumida?. Justifique adecuadamente. b) Si se admite ahora que el control es difusivo: ¿Cuál es el orden de reacción y cuál la energía

de activación?. ¿Es ahora esta hipótesis correcta?. Justifique adecuadamente. c) Con el propósito de aumentar la velocidad por unidad de masa de catalizador, ¿qué

elegiría?. Justifique adecuadamente. -pastillas esféricas de 0.5cm de diámetro. -pastillas cilíndricas de D = H = 0.5cm.

Datos: h = Vp/Ap.((n+1)/2.kvp.Cs

n-1/Def)0.5 Despreciar la resistencia en película externa. η = tanh (φ/φ) Def = 0.1cm2/min CAg = 0.01mol/L

Problema 12.4 En un reactor ocurre una reacción catalítica:

A(g) → B(g) exotérmica y de primer orden. El reactor está lleno de pastillas esféricas de radio = 5mm. Para este



sistema, los datos experimentales son:

-Tsuperficie promedio = 400°C. -kef=3.72E-4cal/(seg..cm.K). -CAs=1.72E-6mol/cm3. -Ea=40Kcal/mol. -Def=0.24cm2/seg.. -∆H=-60700cal/mol. -εlecho=0.45. -rVL=0.7425E-5mol/(cm3.seg.).

Se desea incrementar la producción, para lo cual se pensó en aumentar la concentración del reactivo en la superficie.

a) ¿Cuál puede ser la máxima concentración de A en el gas, sabiendo que en ningún punto del catalizador la temperatura debe superar los 534°C, por problemas de sinterización?

b) ¿Cuál será la nueva rVL?. c) ¿En cuánto aumentó la productividad? d) Calcule ambos factores de efectividad.

Suponer despreciable la resistencia a la transferencia de masa en película. Utilizar los gráficos que se adjuntan para evaluar el factor de efectividad no isotérmico.

Problema 12.5 En un reactor tubular relleno con pastillas de catalizador esféricas de radio R1 (ρp = 1.5 g/cm3; ρS = 3.8 g/cm3 y Sg = 80 m2/g) se lleva a cabo la siguiente reacción de orden 1 con respecto a R:

R (g) → P (g) Ea = 5000 cal/mol

La operación del reactor es isotérmica a 120°C. El reactor permite obtener una conversión del 60% con un tiempo de residencia τ = 110 s. En estas condiciones, se sabe que: εL = 0.6 y kS = 4.26E-06 cm/min. Se sabe también que el catalizador sinteriza si la temperatura de operación supera los 250°C. Se desea incrementar la producción en un 50%, pero no se dispone de otra corriente de alimentación (ni en caudal ni en composición de la misma). Para ello, pueden variarse los siguientes parámetros: i) Densidad de pastila (ρp). Debe considerarse que Def es proporcional a ε2/3. ii) Temperatura de operación (T). Considerar Def proporcional a T1.5. iii) Radio de la pastilla (R2). Se pide analizar por separado la variación de cada uno de estos parámetros. En todos los casos responder: a) ¿En qué sentido debe variarse el parámetro? (aumento o disminución) b) ¿Puede lograrse el aumento del 50% en la producción? c1) Si la respuesta b) es afirmativa, calcular el valor del parámetro (ρp , T, R2) que posibilita el aumento del 50% de producción. c2) Si la respuesta b) es negativa, calcular el valor del parámetro (ρp , T, R2) que maximiza el



aumento de producción. Calcular también el aumento de producción obtenido

IMPORTANTE: En el caso del radio de la pastilla, se trata de calcular la relación R2/R1 (siendo R1 el radio de la pastilla original).

Parámetro a) Sentido de variación (aumento/

disminución)

b) ¿Se logra el aumento del

50%? (si/no)

c1) Valor para un 50% de

aumento en la producción

c2) Valor que maximiza el aumento de producción

c2) Máximo aumento de producción alcanzado

ρp (g/cm3) T (K)

(R2/R1)

e) En el caso de elegirse la temperatura como variable de operación a modificar, ¿cambian en algo las conclusiones obtenidas anteriormente si se desestimara la variación de la Def con T?. Justifique

Problema 12.6

La siguiente reacción irreversible

A B

describe un proceso llevado a cabo en un reactor catalítico de lecho fijo constituido por pellets de 1.6 cm de diámetro. La temperatura del proceso fue de 350 K. El catalizador sufrió diversos ensayos con el fin de caracterizarlo; estos arrojaron los siguientes parámetros: kvp = 3400 * e –2900/(R*T) [ L2 / mol2 min] εP = 0.6 ρp = 1.5 g /cm3 εL = 0.5 Đ = 0.1 cm2 / min Tsinterización = 450K Đ α ε4/5 Durante el proceso se operó con un caudal de 250 L/min y CA

0 = 2.5 mol/L.

(a) Evaluando las condiciones a las que opera el reactor, determinar su volumen para obtener una Casalida = 0.625 mol/L .

(b) Al cabo de un tiempo de operación las pastillas de catalizador fueron reemplazadas

por otras de igual geometría pero de 3.5 cm de diámetro.Analizar que sucedió con la producción . Justificar teórica y numéricamente.

(c) Con el fin de mantener la producción original se propuso modificar dos parámetros:



I.Densidad de la pastilla II.Temperatura.

Estimar ambos y determinar cual se escogió.


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