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UNIVERSIDAD DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA E INGENIERIA DE ALIMENTOSINGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS

DISCUSIN #4

Uni dad IV: Dis eo de Reacto res p ara Reaccio nes Sim ples

1. (TREN DE CSTR) Se efectuar la reaccin en fase lquida A + B C en un CSTR quetiene tres agitadores. Los patrones de mezclado en el CSTR son tales que se modela como tresCSTR del mismo tamao en serie. Las especies A y B se alimentan por tuberas individuales alCSTR, que inicialmente slo contiene material inerte. Cada CSTR tiene un volumen de 200 dm 3y el flujo volumtrico al primer reactor es de 10 dm3/min de A y B respectivamente.

a) Calcule la conversin en el estado estacionario de A (RESP X 0.55)b) Determine el tiempo que toma alcanzar el estado estacionario (es decir, cuando CAa la

salida del tercer reactor es 99% del valor de estado estacionario)

c) Grafique concentracin de A a la salida de cada tanque en funcin del tiempod) Suponga que la alimentacin de la especie B se divide de modo que la mitad se alimentaal primer tanque, y la otra mitad al segundo. Repita los literales anteriores

e) Vare los parmetros del sistema vo, V, k, etc. para determinar sus efectos sobre elarranque. Escriba un prrafo que describa las tendencias observadas y que incluya unanlisis del parmetro que ms afecta los resultados

INFORMACIN ADICIONAL: CAo= CBo= 2.0 mol/dm3y k = 0.025

min*

3

mol

dm

2. La reaccin exotrmica A B + C se realiz abiabticamente y se registraron lossiguientes datos:

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X 0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.8 0.9

-rA

min3

dm

mol 10 16.67 50 50 50 12.5 9.09

La velocidad de flujo molar entrante de A fue de 300 mol/min.

a) Qu volmenes PFR y CSTR se necesitan para alcanzar una conversin de 40%? (VPFR= 7.2 dm3, VCSTR= 2.4 dm

3)b) En qu intervalo de conversiones seran idnticos los volmenes de los reactores CSTR

y PFR?c) Qu conversin mxima se puede alcanzar en un CSTR de 10.5 dm 3?d) Qu conversin se puede alcanzar en un PFR de 7.2 dm 3en serie de un CSTR de 2.4

dm3?e) Qu conversin se puede alcanzar si un CSTR de 2.4 dm3 va seguido en serie de un

PFR de 7.2 dm3?f) Grafique la conversin y la velocidad de reaccin en funcin del volumen del reactor PFR

hasta un volumen de 10 dm3?

3. La figura muestra CAo/-rA contra XA para una descomposicin del reactivo A en faselquida, no isotrmica no elemental de mltiples reacciones.

a) Considere los dos sistemas que se muestran en la figura en lo que un CSTR y un PFRestn conectados en serie. La conversin intermedia es de 0.3 y la conversin final es de0.7. Cmo deben acomodarse los reactores para obtener el volumen de reactor totalmnimo? Explique

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b) Si la velocidad de flujo volumtrico es de 50 l/min, qu volumen mnimo tendrs elreactor? (RESP = 750 dm3)

c) Existe una forma mejor (o sea, volumen total mnimo alcanzando una conversin de70%) distinta de cualquiera de los sistemas aqu propuestos? (RESP = 512 l)

d) Con qu conversin(es) el volumen del reactor requerido ser idntico para un CSTR oun PFR tubular? (RESP = X = 0.45, ?)

e) Utilizando la informacin de la figura junto con la ecuacin de diseo de CSTR, grafique contra X. Si el volumen del reactor es de 700 l y la velocidad de flujo volumtrico es de 50l/min, qu posibles conversiones de salida (es decir, mltiples estados estacionarios)tiene este reactor?

4. La reaccin no elemental, irreversible en fase gaseosa A + 2B C se llevar a caboisotrmicamente en un reactor por lotes a presin constante. La alimentacin est a unatemperatura de 227oC, una presin de 1013 KPa y su composicin es 33.3% de A y 66.7% deB. Se obtuvieron los siguientes datos de laboratorio en condiciones idnticas (tenga presenteque a X = 0, -rA= 0.00001)

-rA

sdm

mol

3x103 0.010 0.005 0.002 0.001

X 0.0 0.2 0.4 0.6

a) Estime el volumen del reactor de flujo tapn (PFR) requerido para alcanzar unaconversin del 30% de A para una velocidad de flujo volumtrico entrante de 2 m3/min

b) Estime el volumen de un CSTR requerido para recibir el efluente del PFR anterior yalcanzar una conversin total de 50% (con base en la especie A alimentada al PFR)

c) Qu volumen total tienen los dos reactores?d) Qu volumen tiene un solo PFR necesario para alcanzar una conversin de 60%?de

80%?

e) Qu volumen tiene un solo CSTR necesario para alcanzar una conversin de 50%?f) Qu volumen tendra que tener un segundo CSTR para elevar la conversin de un 50 %

a un 60%?g) Grafique la velocidad de reaccin y la conversin en funcin del volumen del PFRh) Analice crticamente las respuestas a este problema.

5. La reaccin 2A = C + D se efecta en una batera de reactores con agitacin con uncaudal de 3000 l/h. La concentracin inicial de a es de 25 mol/litro, siendo nulas las de C y D.

La velocidad especfica de la reaccin directa es 0.62horamol

litro

*, y la constante de equilibrio

termodinmico es Kc = 16. Se desea obtener una conversin de equilibrio del 80%.

a) Qu tamao de tanque se necesita si slo se emplea uno?b) Si se dispone de tanques cuya capacidad es la dcima parte de la calculada en el

apartado (a), cuntos de estos tanques han de montarse en serie?

6. La reaccin en fase gas entre el etileno (E) y el hidrgeno (H), para producir etano selleva a cabo en un RMC. La alimentacin contiene 40% mol de etano, 40% mol de hidrgeno y

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20% mol de nitrgeno, entra al reactor a una velocidad molar de 1.5 mol/min, con un caudal de2.5 L/min. La reaccin es de primer orden con respecto a cada reactante, con una velocidadespecfica de k = 0.25 L/(mol-min). Determine:

a) El tamao del RMC necesario para producir un producto que contiene el 60% mol deetano. Asuma que T y P son constantes.

b) El tamao y el nmero de reactores de un sistema de reactores de MC en serie si cadareactor de la serie es de 1/5 del tamao del reactor obtenido en el literal a). Concluya.

c) El arreglo y el tamao de un sistema compuesto por un reactor de mezcla completa y unreactor de flujo en pistn, que opere con las mismas condiciones del literal a).

d) De una valoracin general de sus resultados.

7. Se desea disear un reactor para la produccin de aceites secantes por medio de ladescomposicin de aceite de ricino acetilado; se desea una conversin del 70%. La carga inicialser de 500 lb y la temperatura inicial de 340 C como en el ejercicio 5. De hecho, se seguirntodas las condiciones del ejercicio 5, excepto que en lugar de operar en forma adiabtica, se

suministrara calor elctricamente, mediante una bobina Cal-red de 1 plg de DE, sumergida enla mezcla reaccionante. El suministro de potencia y la agitacin en el reactor ser de tal tipo,que la temperatura de la superficie del calentador se mantendr constante a 700 K. Elcoeficiente de transferencia de calor se puede tomar como igual a 60 Btu/(h)(pie2)(F). Qulongitud deber tener el calentador si la conversin deseada de 70% debe obtenerse en 20min?

Ejercicios a desarrollar de Levenspiel tercera edicin: 6.7, 6.9, 6.10, 6.14. 6.16, 6.17, 6.20.

PLAN DE DISCUSIN

1) Para esta unidad se pondrn en comn en la sesin de discusin los ejercicios que sepresentan en la tabla a continuacin:

PROBLEMAS

1, 5, 6, Problemas dellibro de levenspiel 3

edicin

2) Cada equipo formado expondr el desarrollo de dos de los ejercicios que aleatoriamenteasigne el profesor.