Dr.Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores Ingeniería de Reactores Serie de Problemas Repaso cinética 1. Tomado de (Wallas 2.7) La condensación del formaldehído (A) con el parasulfonato de sodio (B) fue estudiada por Stults, Moulton y McCarthy (Chem. Eng. Prog. Symposium series, (1952), 4, p. 38) en un reactor intermitente. Los datos de la rapidez de formación del monómero (MA) se siguió a 100 C y pH=8.35. Inicialmente las cantidades presentes de A y B eran iguales. Determine si los datos se ajustan a una ecuación de ley de potencias. CF, gmol/L t, min 0.131 0 0.123 10 0.121 20 0.117 30 0.111 40 0.104 60 Explique el resultado obtenido. ¿Podría mejorar el experimento realizado?, explique. 2. Fogler: P5-4a La isomerización irreversible: A B Se realiza en un reactor intermitente, donde se obtuvieron los siguientes datos de concentración contra tiempo: t, min. CA, mol/dm3 0 4.0 3 2.89 5 2.25 8 1.45 10 1.0 12 0.65 15 0.25 17.5 0.02 a) Determine el orden de reacción, , y el coeficiente cinético, kA. b) Si fuera posible repetir este experimento para determinar la cinética, ¿Qué haría usted diferente? ¿Se realizaría la corrida a temperatura mayor, igual o más alta?, ¿Tomaría los mismos puntos? Expliqué. c) Se cree que el técnico cometió un error de dilución en la concentración tomada a los 17.5 minutos. ¿Qué piensa usted? 3. (J. M. Smith) Se desea diseñar un reactor tubular para la producción de butadieno por medio de la reacción en fase gaseosa: C4H5 C4H6 + H2O Para ello debe determinarse la ecuación de velocidad de reacción. Por una parte se sabe que la reacción puede considerarse irreversible y de primer orden. Por el otro se realizó una serie de experiencias para determinar el comportamiento de k con la temperatura. Se obtuvieron los siguientes datos: Temperatura [=] ºC 559 582 604 627 649 k [=] L-1 0.28 0.82 2.00 5.00 10.8 Determine el comportamiento del coeficiente cinético k, en función de la temperatura. 1/10 Reactores ideales isotérmicos.01 mmol/L. 5.68 0.05 1. mol/(L*min) 0.2 0.09 0. Problemas 3.4 0.3 mol/L a)En un reactor CSTR resp: = 2min 2/10 .53 0.16 (Levenspiel 3ra edición) La sacarosa se hidroliza a la temperatura ambiente por la acción catalítica de la enzima sucrosa del siguiente modo: sacarasa sacarosa productos Partiendo de una concentración de sacarosa CA0=1.0 0.5 0.Dr. 0. (Problema 5.3 0.3 2. Se obtuvieron los siguientes datos en un reactor intermitente (Las concentraciones se han calculado a partir del ángulo de rotación óptica): CA.0 0. Problema 5. La reacción se efectúa en fase líquida.8 0.3 mol/L a CAS=0. h 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Comprobar si estos datos se pueden ajustar por una ecuación cinética del tipo de MichaelisMenten.3 0. La estequiometría de la reacción es: A→B.1 0.7 0. calcular los valores de k3 y CM.38 0.042 resp: t≈12 min 6.3 mol/L.6656e15*e-30109/RT 4.06 1.1 0. Tabla 5-P3 CA.5 0. Levenspiel. y la velocidad de reacción es la indicada en la tabla 5-P3.16 0.1 0.6 0. Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores resp: k=A0exp[-EA/RT]=1.0025 mmol/L t.045 0. modificado) Utilizando los datos del problema 5. mol/L (-RA). Calcúlese el tiempo que debe reaccionar cada carga para que la concentración descienda de CA0=1. o rA k 3C AC E 0 C A CM Si el ajuste es razonable.15 y 3.25 0.018 0.3 calcule el tiempo espacial () necesario para que la concentración descienda desde CA0=1.6 0.3 mol/L a CA=0.3 (O.04 0. Utilizar el método integral de análisis de datos. 2da Edicón) En reactor discontinuo se planifica la conversión de A en R.0 mmol/L y de una concentración de enzima CE0=0.5 0.4 Levenspiel 2da edición.006 0.84 0.27 0. V=50 L c) Repítase el apartado (a) manteniendo la conversión en 0.5. Las propiedades del aire pueden considerarse constantes. ¿Cuál es la conversión de salida si la temperatura de operación es de 1000 °C? resp(XCO=0. La fracción del CO en la corriente de alimentación es del 1%. Carberry) El monóxido de carbono puede oxidarse en principio a alta temperatura en un quemador.5) ¿Cuál sería si se opera a 800 °C? resp(XCO=5.J. pero aumentando la concentración de entrada a CA0=2.05 (hr)(mol) L Adicionalmente.2 L 8. Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores 7. calcule el volumen necesario para un consumo de 99% de A (i.2 mol/L). El coeficiente cinético para la oxidación del monóxido es de 0. es decir se desean tratar 2000 moles de A/hr.e. Supongamos que dicho quemador puede simularse como un reactor de mezcla completa cuyo tiempo de espacial puede considerarse de 10 s.4 mol/L y el caudal de alimentación como 1000 mol/hr. V=29.0625 mol A/L ¿Qué conversión se alcanza si solamente se cambia CA0 a 0. V=25 L b) Repítase el apartado A si se duplica el caudal de alimentación. Para ambos tipos de reactores (PFR y CSTR). Hallar la conversión después de media hora en un reactor intermitente para: A→R. (Problema 5. donde (-rA)=3CA½ [=]mol*L-1*hr-1.3 calcule el tamaño del reactor de mezcla completa par alcanzar una conversión de 75% con una alimentación de 1000 mol/hr (CA0=1. k A 0. asumiendo que la velocidad de reacción esta dada por: mol (a) (-RA)=kA.-1 a 1000 °C. Cuando CA0=1 mol/L.3 L y se mantiene la concentración de alimentación en 2.05 (hr)(L) 1 (b) (-RA)=kACA.4 mol/L V=50 L d) Repítase el apartado (a) si la concentración de salida es ahora C A=0. El flujo volumétrico de alimentación es de Q0 10 . k A 0.05 (hr) L (c) (-RA)=kACA2.01CA0) cuando el flujo molar de alimentación es de 5 mol/h. k A 0. Y que opera isotérmicamente.5 mol/L? 10. hr 3/10 . Levenspiel 2da edición) a) Para el problema 5.7213(10-3)) 9. mientras que la energía de activación es de 70 kcal/mol.Dr. CA=0. La reacción: A B Se realiza isotérmicamente en un reactor de flujo continuo. (J.75 y siendo el flujo molar de alimentación igual a 1000 mol/min. CA=0.1 s. calcule el tiempo requerido para obtener una conversión del 30% en un reactor intermitente con agitación a escala comercial. 4/10 .2 N. La concentración del MBP en la corriente de entrada es de 0. mol 5 FA 0 hr mol también C A 0 0. Un reactor de laboratorio con buen mezclado se carga con una solución acuosa que contiene NaOH y acetato de etilo. presenta un mercado potencial de 12 millones de lb.. La reacción es elemental y esta catalizada con H2SO4. PFR=39. Para una carga inicial que contiene NaOH y acetato de etilo en concentraciones iguales a 0. Existe un reactor CSTR de 1000 galones. ambos a concentraciones iniciales iguales a 0.92 m3 c) CSTR=3960 m3. La reacción de saponificación: O NaOH + O H3C CH2 O CH3 O Na+ + OH Es de segundo orden e irreversible a conversiones bajas. El Ptalato de dibutilo (DBP: dibutylftalato). Se produce con la reacción de n-butanol con ftalato de butilo (MBT: monobutylftalato).8 m3. con todo el equipo periférico necesario.5 . al año. y entonces FA C A Q 0 . Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores Nota: FA C A Q . usado como plastificante.Dr. y el flujo molar de alimentación del butanol es 5 veces el de MBP. disponible para usarse en este proyecto por 30 días al año.2 ft3/lbmol*hr. Q=Q0. El coeficiente de reacción especifico a 100 °C es 1. Q0 L L 10 hr respuestas: a) CSTR=99L. O O O C4H9 + C4H9OH OH C4H9 O C4H9 O O MBP O H2SO4 n-butanol (DBP) Una corriente que contiene MBP y butanol se mezcla con H2SO4 antes de que la corriente entre en el reactor. PFR=0. Después de 15 min.2 lb mol/ft3. la conversión del acetato de etilo es 18%. PFR=99L b) CSTR=19.1 N. ¿Que volumen es necesario para producir 50 kg de acetato de sodio? a) El volumen requerido será de 10 163 L 12. para un flujo volumétrico constante.6 m3 11. [=] mol*L-1*min-1. Suponiendo miscibilidad completa.4 14. resp: CSTR=0.e. a) Determine la conversión de equilibrio. con las mismas condiciones. ¿Cómo podría incrementarse la conversión y disminuir el tiempo de operación? Respuesta X=0. k2=4.01CR. ¿Cuál es la conversión de salida?. resp a)XAEQ =0. También estime la conversión de equilibrio.76(10-4) L/[gmol*min] e inversa: R’2=k’2CECW gmol/[L*min]. si se planea producir el 33% del consumo (i. COH= Concentración de alcohol CE=Concentración de ester CW=Concentración del agua Una mezcla inicial consta de una mezcla de soluciones acuosas con masas iguales de 90% en peso de ácido y el 95% de una solución de etanol.63(10-4) L/[gmol*min] donde: CH= concentración de ácido acético. 5/10 Keq = 2 .Dr. la velocidad de reacción es: Directa: R2=k2CHCOH. resp t=59. En un reactor de mezcla completa tiene lugar la reacción reversible elemental: A R (-rA) = k1CA – k2CR Donde se alcanza una conversión del 50% de XAe. que contiene el reactivo A (CA0=100 mmol/L). Reacciones reversibles 13. 4 millones lb/año) del mercado predicho. k’2=1. A 100°C. Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores Determine la conversión de salida en este reactor. gmol/[L*min]. Después de estudiar su cinética.33. ¿Cuál es la conversión de salida? resp XA=0.8 b) Hallar el tiempo necesario para obtener una conversión del 76% en un reactor intermitente si: CA0=1 mol/L. la siguiente reacción puede describirse como: A B (-rA) = 0.9 min c) En un reactor de flujo pistón (2 m3) entra una corriente de alimentación de 100 L/min.04CA-0.50 d) Compare el rendimiento del reactor en c) con un CSTR. La velocidad de esterificación del ácido acético y el alcohol se puede aumentar con HCl como catalizador homogéneo.639 15. Calcule la conversión de ácido a éster para diversos tiempos de reacción en condiciones de volumen constante. ¿Qué reactor es mejor? Explique porque. resp 0. 2 mol.33 min b) Si la reacción es de segundo orden: 2 dm 3 2 rA kCA con k mol * min Calcule el tiempo necesario para consumir 19. 16. Determine el volumen de reactor requerido para producir una corriente que contenga 60% mol de etano. -rA = kCA Calcule el tiempo necesario para reducir el número de moles de A en el reactor hasta 0. Se quiere realizar la siguiente reacción: (-RA)=0. (Fogler P1-12) La reacción en fase gaseosa: A B + C Se realiza isotérmicamente en un reactor intermitente de volumen constante de 20 dm3.Dr. Inicialmente. resp: X=0.5 mol*min-1. resp ~51 tubos 6/10 . se colocan 20 moles de A puro dentro del reactor. Calcular el número de tubos que formarían un reactor isotérmico. medidos a 550°C y 20 atm de presión. La reacción es de primer orden respecto a ambos reactivos. para obtener una Conversión del 60% de acetileno a tetrámero.5 m de longitud y 5 cm.5 L*min-1. Si a este reactor se alimentan 200 m3/hr de gas formado por 80% de acetileno y 20% de inertes. ¿Cuál es la presión al consumir las 19 moles de A? 17. 40% mol de hidrógeno. ¿Cuál es la presión total inicial? ¿Cuál es la presión final si se alcanza una conversión total?. a). La reacción en fase gaseosa entre el etileno (A) y el hidrógeno para producir etano se realiza en un CSTR. hidrógeno y etileno. resp 1. operado a 550 °C. con Q0 = 2. La alimentación que contiene 40% mol de etileno.0 mol de A. Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores ¿Cuánto debería ajustarse la velocidad de alimentación para lograr una conversión del 50%? Reacciones con cambio en el flujo volumétrico debido a la estequiometria.25 L*mol-1*min-1. que entran al reactor con un flujo total de 1.6 CA2 [=]mol/(L*s).865 min-1. 4CH (C H ) 2 4 2 4 4 Para ello se dispone de una serie de tubos cada uno de 3.304 18. Asuma que P y T son constantes. donde la kA=0. Este reactor esta bien agitado. de diámetro interno. resp=5 min c) Si la temperatura de operación es de 127 ºC. Si la reacción es de primer orden: con k=0. y 20% mol de inertes (I). 5*L-0. Considere que CA0=1 M.22). la presión total del sistema permanece constante. Determine: a) La conversión de equilibrio en función de la temperatura. 7/10 .158 min-1.cpA = 0 HR = -8000 cal/mol a 300°K K= 10 a 300°K La alimentación esta formada por A puro.5 L. (Smith 4. Se tiene C6H7Cl que reacciona en fase líquida para formar C6H6 + HCl la ecuación de velocidad puede representarse como: (rA ) kCA E A 60. Se planea hidrolizar anhídrido acético en tres reactores de tanque con agitación operados en serie. Si CA0=1 M y si la temperatura de operación es de 100°C. La temperatura es de 25°C y en esas condiciones la constante de velocidad irreversible y de primer orden es de 0. Se tiene la reacción en fase líquida k C A B C rA 1 A 1 k 2C A k1=0.25 20. Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores Sistemas de reactores 19.8 kcal/mol A0 4 (10 32) Se requiere obtener una conversión del 80%. Se ha determinado que la reacción gaseosa reversible de primer orden: k1 B A Presenta los siguientes datos: k1=103 exp [-4800/RT] seg-l Cp = cpB.Dr. Calcule el tamaño mínimo de un sistema de dos reactores CSTR conectados en serie. respectivamente. resp: CA3=0. si se desea minimizar el volumen total de los reactores necesarios para obtener una conversión del 70%? resp: 1 CSRTR b) ¿Cual es el tamaño de cada uno de los reactores especificados en a)? resp =39 min Reactores no isotérmicos. a) ¿Cual es el sistema de reactores que usted recomienda. Use el método grafico para calcular la fracción hidrolizada en el efluente del tercer reactor.1 mol0. El segundo y tercer reactores tienen un volumen de 2 y 1.5*min-1 y k2=5 L*mol-1. resp: 1300 L 21. La alimentación fluye al primer reactor (V=1 L) a una velocidad de 400 cm3/min. 22. 380C Donde C representa la concentración del anhídrido acético en gmol/cm3.531-2495. Se desean producir 1000 Kg/h de una solución acuosa de ácido acético al 40% en peso efectuando la hidrólisis de anhídrido acético en un reactor CSTR operado a 50 °C. Dicho reactor se carga con 200 L de una solución de anhídrido con concentración de 2.4 min 7 24.84 cal/g °C.109/T (K) (50 °C y 40%)=1. Puede considerar el calor especifico y la densidad de la mezcla reaccionante esencialmente constantes e iguales a 0. T.Dr. °C (-R). Calcular a) Volumen del reactor necesario si la conversión de salida exigida es del 95%.024. resp b)La concentración inicial de anhídrido acético necesaria para lograr el porcentaje de ácido exigido a la salida. 8/10 .05 g/cm2. También puede suponer el calor de reacción constante e igual -50 000 cal/gmol. b) Si el reactor se enfría de manera que su operación sea isotérmica a 15°C.16(10-4)gmol/cm3. 5712. a) Explique porque la expresión de velocidad puede escribirse como muestra la tabla. los siguientes son algunos resultados típicos.56 gmol/L c)Si se pretende hacer trabajar el reactor en forma adiabática y se desea que la temperatura de salida sea de 50 °C ¿A que temperatura debería alimentarse el anhídrido acético? Datos adicionales: Reacción: (CH3CO)2 + H2O→2 CH3COOH log k [=] 1/min =7.1580C 40 0. CA0=3. aunque la reacción sea de segundo orden.1 T resp: R A 3. La hidrólisis en fase líquida de soluciones acuosas diluidas de anhídrido acético es un proceso de segundo orden (irreversible) representado por la reacción: (CH3CO)2 + H2O 2 CH3COOH Un reactor intermitente se utiliza para efectuar la hidrólisis. gmol/cm3*min 10 0.28(10 )e d) ¿Que tiempo se requiere para alcanzar una conversión del 70 % si el reactor se opera adiabáticamente? t=11.0567C 15 0806C 25 0. HREAC=-50000 cal/mol.9 cal/(g*°C) y 1. La velocidad de reacción ha sido investigada en cierto intervalo de temperaturas. Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores 23. ¿Qué tiempo se necesitaría para obtener una conversión del 70% del anhídrido? resp: t=14 min c) Determine una expresión analítica para la velocidad de reacción en términos de la temperatura y la concentración. CPm=0. La siguiente reacción irreversible endotérmica en fase gaseosa: A C+D Se realiza se manera adiabática en un reactor CSTR. ni hidrogeno)/h.32 El calor de reacción puede considerarse constante e igual a HR=23 360 cal/gmol. ¿Cuál será el volumen requerido si el reactor opera de manera isotérmica con una conversión de butenos del 20%? b. Se ha determinado que la reacción gaseosa reversible de primer orden: k1 B A Presenta los siguientes datos: k1=103 exp [-4800/RT] seg-l Cp = cpB.5 BTU/(lb*ºR). Se desea diseñar un reactor de flujo tubular para la producción de butadieno por medio de la reacción en fase gaseosa: C4H8 C4H6 + H2 La composición de alimentación es de 10 moles de vapor por mol de buteno (sin butadieno. El reactor opera a dos atmósferas de presión con una temperatura de entrada (alimentación) de 1200 ºF. La velocidad de reacción corresponde a una ecuación irreversible de primer orden. h-1 922 11.-1 a 100 °C. CpC=75 cal/(mol*K). ¿Cuál será el volumen esperado del reactor si opera adiabáticamente a la misma conversión? 26. K k. La energía de activación para la reacción se ha determinado que es de 20 000 cal/mol y el coeficiente especifico de velocidad de reacción es de 500 min.085 832 0. CpB=75 cal/(mol*K).04 855 0. a)¿Cual es el volumen de reacción necesario para alcanzar 80% de conversión? b1) ¿Cuál es la conversión final si el volumen de reactor es igual a 1000 dm3? b2)¿Cuál es la temperatura de salida del mismo reactor? Datos adicionales: CpA=150 cal/(mol*K). Análogamente el calor especifico de la corriente es constante e igual a 0.0 900 4. con una concentración de 2 mol/L a la temperatura de 80 °C. El coeficiente cinético presenta el siguiente comportamiento en función de la temperatura: T.cpA = 0 HR = -8000 cal/mol a 300°K K= 10 a 300°K 9/10 . 27.Dr. Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores 25.90 877 2. a. Entra A puro a 10 moles de A/min. b) Construya la gráfica de velocidades constantes de reacción en función de la temperatura.Dr. p=1 atm. Rogelio Cuevas García Serie de problemas Ingeniería de Reactores La alimentación esta formada por A puro. La presión total del sistema permanece constante. 10/10 . a) Determine la conversión de equilibrio en función de la temperatura.