Reactores

Química industrial. Reactor. Reacciones. Flujo

  • Enviado por: Miguel Federico Talalay
  • Idioma: castellano
  • País: Argentina Argentina
  • 23 páginas
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Problema Nº 1

Una mezcla de gases consiste en 50 % de A y 50 % de gases inertes a 10 Atm (1013 kPa) e ingresan al reactor con la velocidad de flujo de 6 dm3/ s a 300 º F. Calcule la concentración entrante de A, CA0 y la velocidad de flujo molar entrante FA0 .

Solución:

Cálculo de la temperatura en Kelvin

Cálculo de concentración entrante de A

Cálculo de la velocidad de flujo molar entrante

Problema Nº 2

  • A partir de los datos de la tabla que continúa, calcule el volumen necesario para alcanzar una conversión del 80 % en un reactor CSTR.

  • Grafique ( -1/ rA ) en función de la conversión, sombree el área que, al multiplicarse por FA0 daría el volumen de un CSTR necesario para lograr una conversión del 80 %.

  • Solución:

  • Cálculo de volumen para el reactor CSTR

  • Gráfica en donde se representa el volumen de reactor CSTR

  • X

    r

    -1/r

    0,00

    0,00530

    188,679

    0,10

    0,00520

    192,308

    0,20

    0,00500

    200,000

    0,30

    0,00450

    222,222

    0,40

    0,00400

    250,000

    0,50

    0,00330

    303,030

    0,60

    0,00250

    400,000

    0,70

    0,00180

    555,556

    0,80

    0,00125

    800,000

    0,85

    0,00100

    1000,000

    Tabla de Valores

    Problema Nº 3

    La reacción que describe la tabla del problema anterior se llevará a cabo en un PFR. La velocidad de flujo molar entrante es la calculada en el problema anterior.

  • Calcule el volumen del reactor necesario para lograr una conversión del 80 % en un PFR en forma analítica.

  • Grafique (-1/rA ) en función del tiempo, sombree el área que, al multiplicarse por FA0 daría el volumen de un CSTR necesario para lograr una conversión del 80 %.

  • Haga un bosquejo cualitativo de la conversión y de la velocidad de reacción a lo largo del reactor.

  • Solución:

  • Cálculo del volumen para un reactor PFR

  • Fórmula diseño

    Como no se puede integrar, la resolvemos por aproximación utilizando la regla de Simsom para 5 pundos y

  • Gráfica en donde se representa el volumen de reactor PFR

  • Bosquejo

  • Cálculo de V para X= 0,2 y (Regla de Simsom para 3 puntos)

    Cálculo de V para X= 0,4 y (Regla de Simsom para 3 puntos)

    Cálculo de V para X= 0,6 y (Regla de Simsom para 3 puntos)

    Cálculo de V para X= 0,8 y (Regla de Simsom para 5 puntos)

    Tabla de valores

    X

    r

    V

    0,00

    0,00530

    0,0

    0,20

    0,00500

    33,2

    0,40

    0,00400

    71,0

    0,60

    0,00250

    127,0

    0,80

    0,00125

    223,0

    Problema Nº 4

    Comparar los volúmenes de un CSRT y un reactor de flujo tampón (PFR) que se requieren para alcanzar una conversión de 60 %. Utilizar los datos de (-1/rA ) y X calculados para resolver el problema 2. Las condiciones de alimentación son las mismas en ambos casos y la velocidad de flujo molar FA0 entrante es de 5 mol/s. Interprete la situación a través de una gráfica.

    Solución:

    Cálculo de volumen para el reactor CSTR

    Cálculo del volumen para un reactor PFR

    Fórmula diseño

    Cálculo de V para X= 0,6 y (Regla de Simsom para 4 puntos)

    Gráfica de comparación de volúmenes de ambos reactores

    “CSTR”

    “PFR”

    Cálculos de los volúmenes de los distintos reactores a distintas conversiones para luego representarlas en un gráfico.

    Reactor FTR

    Cálculo de V para X= 0,2 y (Regla de Simsom para 3 puntos)

    Cálculo de V para X= 0,4 y (Regla de Simsom para 3 puntos)

    Cálculo de V para X= 0,6 y (Regla de Simsom para 4 puntos)

    Reactor CSTR

    Tabla de Valores

    X

    Volumen

    CSTR

    PFR

    0

    0

    0

    0,2

    200

    193

    0,4

    500

    413

    0,6

    1200

    727

    Para X= 0,2

    Para X= 0,4

    Para X= 0,6

    Gráfica de variación de volúmenes de ambos reactores a distintas X

    Problema Nº 5

    Para los reactores CSTR en serie se logra una conversión del 40 % en el primer reactor. ¿Qué volumen total deben tener los dos reactores para obtener una conversión global del 80 % de la especie A que entra en el reactor uno? ( Si FA2 es la velocidad de flujo molar de A que sale del último reactor de la serie, FA2= 0.2 . FA0 y FA0= 0.0867 mol/s)

    Solución:

    Volumen del 1º Reactor

    Volumen del 2º Reactor

    Gráfica en donde se representa los volúmenes de los dos reactores “CSTR”

    Problema Nº 6

    Utilizando los datos de la tabla del problema 2, calcule los volúmenes de los reactores V1 y V2 para la sucesión de flujo tampón que se muestra en la figura, cuando la conversión intermedia es del 40 % y la conversión final es de 80 %. La velocidad de flujo molar es 0.0867 mol/s.

    Solución:

    Cálculo del volumen del primer Reactor “PFR” hasta una conversión del 40 %

    Cálculo de V para X1= 0,4 y (Regla de Simsom para 3 puntos)

    Cálculo del volumen del segundo Reactor “PFR” desde el 40% hasta el 80 %

    Cálculo de V para X1= 0,4 , X2= 0,8 y (Regla de Simsom para 3 puntos)

    Volumen total

    Gráfica en donde se representa los volúmenes de los dos reactores “PFR”

    Problema Nº 7

    Calcule el volumen individual de los reactores y el volumen total para cada esquema de la figura con los datos de la tabla del problema 2, si la conversión intermedia es del 50 % y FA0= 0.867 mol/s.

    Esquemas

    Para el Esquema A: tenemos en primer lugar un reactor PFR y en segundo lugar un reactor CSTR.

    Cálculo del volumen del primer reactor en donde X1= 0,5 y utilizamos (Regla de Simsom para 6 puntos)

    Cálculo del volumen del Segundo reactor, en donde X1= 0,5 , X2= 0,8

    Volumen total

    “CSTR”

    “PFR”

    Para el Esquema B: tenemos en primer lugar un reactor CSTR y en segundo lugar un reactor PFR

    Cálculo del volumen del primer reactor en donde X1= 0,5

    Cálculo del volumen del Segundo reactor, en donde X1= 0,5 , X2= 0,8 y tomo

    Volumen total

    “CSTR”

    “PFR”

    Problema Nº 8

    Calcule la energía de activación para la descomposición del cloruro de benceno para dar clorobenceno y nitrógeno. Utilizando la siguiente información para esta reacción de 1º orden.

    Solución:

    K(1/s)

    T (kº)

    - (LnK)

    1/T

    0,00043

    313

    7,752

    0,003195

    0,00103

    319

    6,878

    0,003135

    0,00180

    323

    6,320

    0,003096

    0,00355

    328

    5,641

    0,003049

    0,00717

    333

    4,938

    0,003003

    Ecuación de Arrhenius Tabla de valores

    Aplicando logaritmo natural

    Multiplicando por (-1) nos queda:

    Representando vs. , obtenemos la siguiente gráfica de pendiente

    Cálculo de la energía de activación mediante el método gráfico, en donde nos basamos en la pendiente del ajustamiento lineal realizado por un sistema informático (Excel)

    Cálculo Analítico

    Nota: Como los valores de k tienen unidad de [1/s] podemos concluir que la reacción es de primer orden

    Problema Nº 9

    La reacción exotérmica A + 2B ------- 2D es prácticamente irreversible a bajas temperaturas y la ley de velocidad es:

    Sugiera una ley de velocidad que sea válida a altas temperaturas en donde la reacción es reversible.

    Solución:

    La ley de velocidad para una reacción reversible debe:

    • Satisfacer las relaciones termodinámicas en equilibrio

    • Reducirse a la ley de velocidad irreversible cuando la concentración de uno de los productos de reacción es cero.

    Si es reversible, su equilibrio estará dado por:

    entonces

    Probando una ley de velocidad de la forma:

    Satisface la primera condición pero no la segunda, si en un momento dado, la ley no toma forma de la ley irreversible planteada al principio.

    Entonces defino luego

    Ahora podemos plantear la siguiente ley:

    la cual cumple con las dos condiciones

    Ley de Velocidad para altas temperaturas en donde la reacción es reversible

    Problema Nº 10

    El Jabón consiste en sales de sodio y potasio de diversos ácidos grasos como los ácidos oleicos, esteárico, pálmico, láurico, y mirístico. La saponificación para la formación del jabón a partir de soda cáustica acuosa y estearato de glicerilo es :

    3 NaOH(ac) + (C17H35COO)3C3H5 -------------- 3 C17H35COONa + C3H5(OH)3

    Si X se representa la conversión del NaOH, preparar una tabla estequiométrica que exprese la concentración de cada especie en términos de su concentración inicial y la conversión

    Solución:

    Llamando: A al compuesto NaOH(ac), B al compuesto (C17H35COO)3C3H5 , C al compuesto C17H35COONa y D al compuesto C3H5(OH)3

    Tomando como base de cálculo al NaOH, nos queda:

    A + 1/3 B --------- C + 1/3 D


    Especie

    Símbolo

    Inicialmente

    Cambio

    Remanente

    Concentración

    NaOH(ac),

    A

    NA0

    (C17H35COO)3C3H5

    B

    NB0

    C17H35COONa

    C

    NC0

    C3H5(OH)3

    D

    ND0