Problemario reactores

PROBLEMARIO

UNIDAD III y IV

ING. DE REACTORES HOMOGENEOS

Problema 1.

Pure A is fed at a volumetric flow rate of 1000dm3/h and at a concentration of 0.005 mol/dm3 to an existing CSTR, which is connected in series to an existing tubular reactor. If the volumen of the CSTR is 1200 dm3 and the tubular reactor volume is 600 dm3, what are the ntermediate and final conversions that can be achieved with the existing system? The reciprocal rate is plotted in the figure below as a function of conversion for the conditions at which the reaction is to be carried out.

[pic 1]

Problema 2. (P)

La reacción en fase liquida: A+B→C sigue una ley de velocidad elemental y se efectúa isotérmicamente en un sistema de flujo. Las concentraciones de las corrientes de alimentación A y B antes de mezclarse son 2 M. La velocidad de flujo volumétrico es de 5 dm3/min y la temperatura en la entrada es de 300 K. Las corrientes se mezclan tan pronto como entran. Se cuenta con dos reactores. Uno es un CSTR gris de 200 dm3 que se puede calentar a 77 °C o enfriarse a 0 °C, y el otro es un PFR blanco de 800 dm3 que opera a 300 K y no puede calentarse ni enfriarse, pero se puede pintar de rojo o de negro (k = 0.07 dm3 / mol ∙ min  a 300 K  y E  = 20 kcal / mol).

a) ¿Cuál reactor y que condiciones recomienda? Explique su decisión. Apoye su razonamiento con los cálculos apropiados.

d) ¿Qué consideraciones lo llevaría a efectuar la reacción a temperaturas más altas?

Problema 3. (P)

Un total de 2500gal/h de metaxileno se están isomerizando en un PFR de 1000ft3 para dar una mezcla de ortoxileno, metaxileno y paraxileno. La reacción se está efectuando a 750°F y 300psig. En estas condiciones, 37% del metaxileno que se alimenta al reactor se isomeriza. Con una velocidad de flujo de 1667gal/h, un 50% del metaxileno se isomeriza a la misma temperatura y presión. Los cambios energéticos son insignificantes.

Ahora se propone construir un segundo reactor para procesar 5500gal/h de metaxileno a la misma temperatura y presión antes señaladas. ¿Qué tamaño, es decir, qué volumen deberá tener el reactor para obtener una conversión de 46% en en lugar de 37%? Justifique cualesquier supuesto que haga para el aumento de escala.

Problema 4. (P)

La reacción elemental reversible en fase gaseosa:

[pic 2]

Se efectúa en un PFR. La alimentación sólo contiene A y B en proporciones estequiométricas a 580.5 kPa y 77°C. La velocidad de alimentación molar de A es 20 mol/s. La reacción se efectúa adiabáticamente.

a) Determine el volumen de reactor de flujo tapón necesario para alcanzar un 85% de la conversión adiabática en equilibrio.

b) Grafique –rA, X  y T en función de la longitud del reactor si el área de corte transversal es de 0.01 m2 

C) Repita el inciso (a) para el caso de una reacción endotérmica con un H°Rx de la misma magnitud absoluta, pero con una temperatura a la entrada de 277 °C.

Información adicional.

Parámetros de ley de velocidad:

k = 0.035dm3/mol·min    a  273 K

E = 70 000 J/mol

Parámetros termodinámicos a 25°C

HA° = -40 kJ/mol                CpA = 25 J/mol·K

HB° = -30 kJ/mol                CpB = 15 J/mol·K

HC° = -45 kJ/mol                CpC = 20 J/mol·K

Kc =25 000

Problema 5.

La curva que se muestra a continuación es representativa de una reacción exotérmica que se efectúa adiabáticamente.

[pic 3]

A) Suponiendo que tiene un CSTR y un PFR de igual volumen ¿Cómo deberán disponerse? use el peso mínimo de catalizador con el que se puede lograr una conversión del 80%.

B) ¿Qué volumen se necesita para alcanzar una conversión de 80% en un reactor bien mezclado (p. ej., CSTR)?

C) ¿Qué volumen de CSTR se necesita para alcanzar una conversión de 40%?

D) ¿Cuál es el volumen de un PFR que se necesita para alcanzar una conversión de 80%?

E) ¿Cuál es el volumen de un PFR que se necesita para alcanzar una conversión de 40%?

Información adicional: FAO = 2mol/s.

Problema 6.

En Estados Unidos se produjeron 820 millones de libras de anhídrido ftálico. Uno de los usos finales del anhídrido ftálico es en la producción de cascos de fibra de vidrio para veleros. El anhídrido ftálico se puede producir por oxidación parcial de naftaleno en un lecho catalítico fijo o bien fluidizado. En la Figura P3 – 11 (Fogler) se muestra un diagrama del flujo del proceso comercial. Aquí la reacción se efectúa en un reactor de lecho fijo con un catalizador de pentóxido de vanadio empacado en tubos de 25mm de diámetro. Una producción de 31000 toneladas al año requería 15000 tubos.

Prepare una tabla estequiométrica para esta reacción si la mezcla inicial consiste en 3.5% de naftaleno y 96.5% de aire (en moles %) y úsela para plantear las relaciones que se piden a continuación. Po = 10 atm y To = 500K.

(a) Para un Reactor de flujo isotérmico en el que no hay caída de presión, determine las siguientes ecuaciones en función de la conversión de naftaleno, XN:  

           (1) Las presiones parciales de O2 y CO2

           (2) Las concentraciones de O2 y naftaleno

           (3) La velocidad de flujo volumétrico v

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