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• Adrian Lemos

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL MENDOZA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

Cátedra

INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Carpeta

Trabajos Prácticos de la Ciclo Lectivo 2016

Alumn…. Legajo Nº HOJA Nº

INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS CARPETA DE TRABAJOS PRÁCTICOS CONTENIDO Trabajos Prácticos (TP N°)

Hoja/s

Condiciones del Cursado Condiciones presentación en examen final Programa de la Asignatura Planificación 2016 TP Nº 1: OBTENCIÓN Y DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS TP Nº 2: REACTORES IDEALES TP Nº 3 a: MULTIREACTORES TP Nº 3 b: RECIRCULACIÓN TP Nº 4: DISEÑO PARA REACCIONES COMPLEJAS SERIE - PARALELO TP Nº 5 a: REACTORES NO ISOTERMICOS Y ADIABATICOS (NIA) TP Nº 5 b: REACTORES NO ISOTÉRMICOS NI ADIABÁTICOS (NINA) TP Nº 6 a: REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS FLUIDO – SÓLIDO TP Nº 6 b: REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS FLUIDO – FLUIDO TP Nº 7: REACCIONES CATALIZADAS - PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS CATALIZADORES TP Nº 8: DISEÑO DE REACTORES PARA REACCIONES CATALIZADAS TP INTEGRADOR: Simulación de Reactores. (Práctica diseñada por Ing. Sergio FLORES) LABORATORIO Y PLANTA PILOTO: SULFATO DE COBRE ACETATO DE ETILO Condición de la Carpeta:

Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

Ing. Andrea Rivarola (JTP)

Ing. Fernanda Tarditi (JTP)

de

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CONDICIONES DEL CURSADO 1°) Cumplir con el 75% de las asistencias, como MÍNIMO, a las clases TEÓRICAS-PRÁCTICAS 2°) PRÁCTICA DE LABORATORIO: Asistencia y aprobación del 100% de las Prácticas de Laboratorio y Planta Piloto que se realicen. NOTA: El Alumno que faltase con justificación, rendirá la práctica en examen recuperatorio (la teoría – análisis de la práctica y resultados obtenidos en la clase que realizó la práctica). 3°) VISITAS: Asistir a la/las visitas a Empresas (programadas durante el ciclo lectivo), presentar y aprobar el INFORME respectivo. 4°) Completar los desarrollos incorporados en CONCLUSIONES de cada Trabajo Práctico. CONDICIONES DE APROBACIÓN DE EXAMENES PARCIALES: 5°) REGULARIZACIÓN: Para lograr REGULARIZAR la ASIGNATURA (obtención de la Boleta de Trabajos Prácticos) el/la alumno/a deberá APROBAR la TOTALIDAD de las Evaluaciones Teórico-Prácticas, con el 60 % como MÍNIMO del puntaje total asignado al examen. No se promediarán las evaluaciones. Además se deberá contar con la Carpeta de Trabajos Prácticos Completa antes de la finalización de clases. Tal instrumento de aprendizaje deberá presentarse COMPLETO durante las CLASES del ÚLTIMO MES de cursado de la cátedra. Cantidad de evaluaciones: CUATRO (4) conforme a la Planificación propuesta. AUSENCIA JUSTIFICADA A PARCIALES: Los alumnos que no se presenten a rendir a alguno de los exámenes parciales, deberán presentar justificativo que respalde dicha ausencia. Los exámenes se recuperan en la fecha programada y planificada para Recuperatorios. De no contar con justificativo, el/la Alumno/a deberá rendir el examen como “recuperatorio”, sin posibilidad de nuevo examen. 6°) RECUPERATORIO: Se considera que el Alumno encuentra la instancia de un recuperatorio, cuando la nota de uno o más de sus parciales es inferior al 60%, o cuando se ha asentado a un parcial sin justificación pertinente. Todos los parciales reprobados, deben recuperarse y se podrá recuperar una sola vez (Ver fechas en la Planificación) 7°) CARPETA DE TRABAJOS PRÁCTICOS: El alumno o la alumna debe tener la carpeta de Trabajos Prácticos al día (con la totalidad de los ejercicios resueltos y las hojas numeradas) para ser presentada cuando la cátedra la requiera, pudiendo obtener 2,5 puntos cada vez que le sea requerida y satisfaga las condiciones previamente enunciadas. Dicho puntaje se acumulará y será considerado al momento de decidir la REGULARIDAD del discente. Los alumnos que hubiesen regularizado la asignatura, tendrán que presentarse con la carpeta de trabajos prácticos el día y horario INDICADO EN LA PLANIFICACIÓN. 8°) El NO complimiento de cualquiera de los puntos indicados, CONDICIONARÁ de forma negativa la obtención de la BTP. EXAMEN FINAL: El Alumno Debe presentarse con su Carpeta de Trabajos Prácticos, y Programa firmado oportunamente (cuando obtuvo su BTP), además de la Libreta Universitaria (si cuenta con la misma) con las firmas de los JTPs y del Prof. Adjunto.

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Ing. Andrea Rivarola (JTP)

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INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS - PROGRAMA ANALÍTICO 2.015 - 4º AÑO INGENIERÍA QUÍMICA

TEMA N°1: CINÉTICA de las REACCIONES HOMOGÉNEAS 1a. Conceptos de cinética y su aplicación en el diseño de reactores. Objeto e importancia de la cinética química. Clasificación de las reacciones. Definición de la velocidad de reacción (como función de las propiedades intensivas). Relación entre estequiometría y cinética. Reacciones simples y múltiples. Reacciones elementales y Reacciones no elementales. Punto de vista cinético del equilibrio de las reacciones elementales. Molecularidad y orden de reacción. Conversión. Constante de la velocidad de reacción (unidades, demostración). Relación entre las constantes de velocidad de reacción y la de equilibrio. Factores que afectan la velocidad de reacción. Reactivo limitante. Entendimiento gráfico de las funciones definidas, Desarrollo teórico y elaboración de las gráficas más usuales. 1b. Ecuación de Arrhenius. Energía de activación y dependencia de la temperatura. Métodos de obtención de los parámetros cinéticos. Métodos: integral; diferencial; de las concentraciones iniciales; del tiempo medio, etc. Reactor discontinuo de volumen variable (conceptos). Grado de avance de la reacción y conversión. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA TP Nº 1: OBTENCIÓN Y DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS TRABAJO PRÁCTICO DE LABORATORIO LABORATORIO N°1: CINÉTICA DE LA PRODUCCIÓN PENTAHIDRATADO A PARTIR DE CHATARRA DE COBRE.

DE

SULFATO

DE

COBRE

LABORATORIO: INVESTIGACIÓN DE LA CINÉTICA DE LA SAPONIFICACIÓN DEL ACETATO DE ETILO

TEMA N°2: REACTORES IDEALES, BALANCE de MATERIA 2a.Clasificación de los reactores químicos. Reactores de Mezcla Perfecta. Reactor Discontinuo. Propiedades intensivas. Gráficas. Características. Usos. Balance de materia. Tiempo de reacción, tiempo muerto. Producción. Reactor Tanque Agitado. Propiedades intensivas. Gráficas. Usos. Características. Balance de materia. Tiempo espacial. Velocidad espacial. Coeficiente volumétrico. 2b. Reactor Flujo Pistón. Propiedades intensivas. Gráficas. Usos. Características. Balance de materia. Tiempo espacial. Velocidad espacial. Coeficiente volumétrico. Propiedades intensivas. Gráficas. Usos. Características. Número de Damköhler o Módulo de Reacción. Definición y relevancia. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA: PRACTICO N°2: REACTORES IDEALES. TRABAJO PRÁCTICO DE PLANTA PILOTO: PRÁCTICO PP 1: Experiencia operativa de reactor discontinuo y reactor continuo.

TEMA N°3: DISEÑO para REACCIONES SIMPLES HOMOGÉNEAS 3a. Comparación de tamaños en sistemas de un solo reactor. Reactor Tanque Agitado y Reactor Flujo Pistón (p/ 1º y 2º orden). Sistemas de reactores múltiples en serie o en paralelo. Reactores Tanque Agitados de igual o distinto tamaño. Gráficas. Disposición más adecuada de un sistema de reactores en serie. Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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3b. Reactor con Recirculación. Relación de recirculación. Usos. Balance de Materia. Gráficas. Reacciones autocatalíticas. Recirculación óptima. Gráficas. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA: TP Nº 3 a: MULTIREACTORES TP Nº 3 b: REACTORES FLUJO PISTÓN CON RECIRCULACIÓN

TEMA N°4: DISEÑO PARA REACCIONES COMPLEJAS HOMOGÉNEAS, REACCIONES EN SERIE Y EN PARALELO. 4a. Reacciones en paralelo. Estudio cualitativo y cuantitativo. Rendimiento fraccional global e instantáneo. Rendimiento fraccional global para una serie de reactores Tanque Agitado. Gráficas. 4b. Reacciones en serie. Reacciones sucesivas de 1º orden. Estudio cualitativo y cuantitativo. Gráficas. Análisis y aplicación en el diseño de reactores. 4c. Reacciones serie-paralelo. Gráficas. Reacciones reversibles en serie y/o paralelo. Gráficas. Efecto de la temperatura en reacciones múltiples. Variación de la distribución del producto con la temperatura. Variación del volumen del reactor con la temperatura. Estudio de casos especiales: reacción de DENBIGH. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA: TP Nº 4: DISEÑO PARA REACCIONES COMPLEJAS SERIE - PARALELO

TEMA N°5: DISEÑO para REACCIONES SIMPLES HOMOGÉNEAS NO ISOTÉRMICAS y ADIABÁTICAS (NIA), y para REACCIONES SIMPLES HOMOGÉNEAS NO ISOTÉRMICAS NI ADIABÁTICAS NINA 5a. Conceptos generales sobre Energía: forma general de las curvas Conversión – Temperatura. Determinación gráfica del volumen del reactor. Progresión óptima de temperatura. Gráficas T & Ci (ó X), T & L (posición) y L (longitud) & Ci (ó Xi). Operaciones adiabáticas. Gráficas. Operaciones no adiabáticas. Gráficas. 5b. Balance de Energía para Reactores de Mezcla Perfecta. Reactor Discontinuo: Balance de Energía. Diseño isotérmico. Diseño adiabático. Diseño no isotérmico con intercambio. Reacciones endotérmicas y exotérmicas, irreversibles y reversibles. Gráficas. Reactor Tanque Agitado: Balance de Energía. Diseño adiabático. Diseño No isotérmico con intercambio. Reacciones endotérmicas y exotérmicas, reacciones irreversibles y reversibles. Gráficas. Estabilidad del reactor Tanque Agitado. Punto no estable. Apagado y autoencendido del reactor. Histéresis. Autotermia del reactor. Gráficas. Transferencia de calor en reactores Tanque Agitado (Conceptos de camisa de intercambio, serpentín interno y externo). 5c. Balance de Energía para Reactor Flujo Pistón. Diseño isotérmico y diseño adiabático. Diseño no isotérmico con intercambio. Reacciones endotérmicas y exotérmicas, irreversibles y reversibles. Gráficas. Reactores Flujo Pistón con temperatura de pared constante. Reactores autotérmicos. Diferentes tipos de intercambio. Sensibilidad paramétrica. Estabilidad. Transferencia de calor en reactores tubulares (vacío o relleno). Criterio práctico. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA: TP Nº 5 a: REACTORES NO ISOTERMICOS Y ADIABATICOS (NIA) TP Nº 5 b: REACTORES NO ISOTÉRMICOS NI ADIABÁTICOS (NINA)

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TEMA N°6: REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS 6a Flujo No Ideal. Conceptos básicos de Flujo NO Ideal. Distribución de tiempos de residencia. Estado de agregación de la corriente del fluido. Mezclado inmediato. Importancia de los mismos para determinar el comportamiento del reactor. E, la distribución de la edad del fluido. Métodos experimentales para medir E. Experimento impulso y escalón. Integral de convolución. Conversión en reactores de flujo no ideal. Diagnóstico de fallas en reactores, gráficas. 6b. Reacciones Fluido - Fluido. . Ecuación cinética para reacciones heterogéneas. Expresiones cinéticas lineales y no lineales. Concepto de etapa controlante de la velocidad. Modelos de contacto para sistemas de dos fases.Tipos de regímenes cinéticos para el transporte de materia y para la reacción. Gráficas. Ecuación de velocidad para los distintos casos. Parámetro de conversión en la película. Ecuación de Hatta. Reactores fluido – fluido: Diseño. 6c. Reacciones Sólido - Fluido (gas). . Ecuación cinética para reacciones heterogéneas. Expresiones cinéticas lineales y no lineales. Concepto de etapa controlante de la velocidad. Modelos de contacto para sistemas de dos fases. Conceptos. MODELOS y su selección. Gráficas. Comparación de los modelos y la operación real. Volumen constante o volumen decreciente. MODELO DEL NÚCLEO QUE SE ENCOGE SIN REACCIONAR PARA PARTÍCULAS DE TAMAÑO CONSTANTE: Etapas presentes. Gráfica. Difusión a través de la película gaseosa como etapa controlante. Difusión a través de la ceniza (conceptos). Difusión a través de la reacción química. Gráficas. Generalidades y limitaciones del modelo del núcleo sin reaccionar. Ídem para MODELO DE PARTÍCULAS DE TAMAÑO DECRECIENTE (conceptos). Generalidades para partículas de formas no esféricas. Determinación de la etapa controlante de la velocidad (temperatura, tiempo, tamaño, etc.). Gráficas. Relación para determinación de etapa controlante. Coeficiente de velocidad de elutriación. Reactores fluido-partícula sólida: Diseño. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA: TP Nº 6 a: REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS FLUIDO – SÓLIDO TP Nº 6 b: REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS FLUIDO – FLUIDO TRABAJO PRÁCTICO DE LABORATORIO: APLICACIÓN DE EXPERIENCIA REALIZADA CON LA PRÁCTICA DE LABORATORIO N°2: CINÉTICA DE LA PRODUCCIÓN DE SULFATO DE COBRE PENTAHIDRATADO A PARTIR DE CHATARRA DE COBRE – REACCIÓN HETEROGÉNEA SÓLIDO - LÍQUIDO.

TEMA N°7: CATALIZADORES 7a. Catálisis Homogénea generalidades. Catálisis Heterogénea. Catalizador. Mecanismo de la catálisis. Adsorción. Tipos de adsorción (física y química). Teoría sobre adsorción física (Freundlich, Langmuir, B.ET.). Condensación capilar. Histéresis. Rango de aplicación. El catalizador. Propiedades físicas. Métodos de determinación del Área superficial, Volumen poral, Diámetro poral., Distribución del volumen poral. Aplicaciones. Constituyentes del catalizador (soporte, promotores, inhibidores, etc.). Catalizadores no soportados. Venenos del catalizador. Regenerables y no regenerables. 7b. Adsorción química. Curva de equilibrio para adsorción física y química. Adsorción ideal. Tipos de adsorción (de una sustancia, con disociación, de dos gases, etc.). Desviaciones del comportamiento ideal. Velocidades y equilibrio de quimisorción. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA: TP Nº 7: REACCIONES CATALIZADAS - PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS CATALIZADORES TRABAJO PRÁCTICO DE PLATA PILOTO PRÁCTICO PP2: Determinación de características físicas de un catalizador. Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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TEMA N° 8: CINÉTICA DE LAS REACCIONES CATALÍTICAS HETEROGÉNEAS GAS-SÓLIDO y DESACTIVACIÓN de CATALIZADORES 8a. Etapas controlantes de la velocidad. La película gaseosa como etapa controlante. El fenómeno de superficie como etapa controlante. Proceso de transporte externo. Reactores de Flujo Pistón. Efecto de los procesos físicos sobre las velocidades de reacción observadas (gráfica). Correlaciones de transferencia de masa y de calor (gráfica). Reactores de lecho fluidizado. Correlaciones de transferencia de masa y de calor. 8b. Reacción y difusión en el interior del catalizador poroso. Transferencia intragranular de masa. Difusión gaseosa en un solo poro cilíndrico. Módulo de Thiele. Factor de eficacia. Mezcla de partículas de formas y tamaños diferentes. Variación arbitraria del volumen molar. Pastillas porosas de catalizador. Ensayo de un catalizador debido a la resistencia en los poros. Difusión en catalizadores porosos. Efectos caloríficos durante la reacción. Gráficas entre el factor de eficacia y el módulo de Thiele en función de la temperatura. Combinación de resistencias para partículas en condiciones isotérmicas. Desactivación de Catalizadores. Generalidades. Mecanismo de desactivación del catalizador. Ecuación cinética. Determinación experimental, diversos tipos. Reactores experimentales con flujo de sólidos. Diseño. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA: TP Nº 8: DISEÑO DE REACTORES PARA REACCIONES CATALIZADAS

TEMA N° 9: REACTORES REALES HOMOGÉNEOS y REACTORES INDUSTRIALES 9a. Análisis de reactores reales de la industria regional. 9b. SIMULACIÓN Y REACTORES INDUSTRIALES REALES: Aplicación a distintos tipos de Reactores Industriales. Conceptos generales, dibujos y clasificación de los distintos reactores industriales del medio. Sistemas de carga y descarga del catalizador y regeneración. Vida útil. Skimming. TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA - LABORATORIO DE INFORMÁTICA: TP Nº 9: SIMULACIÓN DE REACTORES. (PRÁCTICA ARTICULACIÓN INTEGRACIÓN IV Y UTILITARIOS DE COMPUTACIÓN) TP Nº 10: FLUJO NO IDEAL VISITA: Visita a planta de procesos de la región. -----------------------------------------------------------------------PROGRAMA DE EXÁMEN BOLILLAS UNIDADES TEMÁTICAS BOLILLAS UNIDADES TEMÁTICAS 1 6 1a; 4a y 4b; 7b 2b; 4a y 4b; 8b 2

2a; 5a y 5b; 9

7

3b; 5a y 5c; 7a

3

3a; 6a y 6b; 8b

8

3a; 4a y 4c; 5a

4

1b; 4b; 5a y 5b

9

3b; 5a y 5b; 9

5

2b; 6a y 6c; 8a

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BIBLIOGRAFÍA DE LA CÁTEDRA: 1º. Ingeniería De Las Reacciones Químicas 3ra. Edición. Autor: Octave Levenspiel. Editorial: Limusa Wiley 2º- Ingeniería De Las Reacciones Químicas 2da. Edición. Autor: Octave Levenspiel. Editorial: Reverté S.A. 3°- Reactores Químicos. Autores: A. Castro; S. de Miguel, T. Garetto, M. Sad. Editorial: Universidad Nacional del Litoral. 4°- Ingeniería De La Cinética Química. Autor: J.M.Smith. Editorial: Cecsa. 5°- Elementos De Ingeniería De Las Reacciones Químicas Tercera Edición. Autor: H. Scott Fogler. Editorial: Prentice Hall. BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA PARA PROFUNDIZAR TEMAS DEL PROGRAMA Y/O PARA PROYECTO FINAL DE LA CARRERA: Ingeniería de la Cinética Química.Autor: J.M. Smith. Editorial : CECSA Ingeniería De Las Reacciones Químicas y Catalíticas. Autor: James J. Camberry. Editorial: Géminis. Introducción Al Diseño de Reactores Químicos: Autores: Farina, Ferretti y Barreto. Editorial: Nueva Librería (NL). Análisis de Reactores. Autor: R. Aris. Editorial: Alhambra. Modelado Cinético de las Transformaciones Fluido-Sólido Reactivo. Autores: Oscar Quiroga, Angel J. Fusco y Jorge Avanza. Editorial: Universidad Nacional del Nordeste (Eudene). El Omnilibro de los Reactores Químicos. Autor: Octave Levenspiel. Editorial: Reverté S.A El Minilibro de los Reactores Químicos. Autor: Octave Levenspiel. Editorial: Reverté S.A Chemical Reactor Analysis And Design. Autores: Froment And Bischoff. Editorial: John Wiley And Sons. Manual del Ingeniero Químico. Autores: John Perry y Otros. Editorial: Mc.Graw Hill. Fundamentos del Diseño De Reactores. Autores: Roberto E. Cunningham, José L. Lombardi. Editorial: Eudeba. Principio de los Procesos Químicos. Autores: Hougen Y Watson Tomo III. Editorial: Géminis.

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INGENIERÏA de las REACCIONES QUÍMICAS - CRONOGRAMA 2016 CRONOGRAMA PRIMER SEMESTRE Clases: Miércoles 19:00 hs a 22:45 hs. PROFESOR Teoría: Ing. Ana MÜLLER Práctica: Ing. Fernanda TARDITI Práctica: Ing. Andrea RIVAROLA Práctica: Tco. Qco. Univ. David FLORES MOLINA DÍA

Hs.

9/03

5

16/03

5

CONSULTA

TEMARIO Introducción a la materia: Condiciones de cursado, entrega de archivo de Carpeta de Trabajos Prácticos. T1: Unidades. Generalidades. Ec. Arrhenius. Veloc. Reac. Const.vel.reacción. Mecanismos de reacción. Gráficas. Estrategias cinéticaTP Nº 1: OBTENCIÓN Y DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS Ejercicios 1 al 5 T1: Unidades. Generalidades. Ec. Arrhenius. Veloc. Reac. Const.vel.reacción. Mecanismos de reacción. Gráficas.

TP Nº 1: OBTENCIÓN Y DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS 23/03

5

T2: Tipos y Clasificación de los Reactores. Balance Masa Rxs Mezcla Perfecta y Rx Flujo Pistón. Gráficas. Ecuaciones de Diseño. Vinculación con Cinética de una reacción Química.

30/03

5

TP Nº 2: REACTORES IDEALES. En base al TP Nº 1: obtención y determinación de parámetros cinéticos utilizando ecuaciones de diseño de los reactores ideales propuestos en cada enunciado. Revisión

6/04

5

TP Nº 2: REACTORES IDEALES

13/04

5

TP Nº 2: REACTORES IDEALES

20/04

EXÁMEN N° 1 (TEMAS 1 Y 2) Teórico y práctico

27/04

5

T3a: Comparación de Reactores. Multireactores

4/05

5

TP Nº 3 a: MULTIREACTORES MESA DE EXAMEN FINAL / no hay clase

11/05 18/05

5

25/05

T3b: Reactores con recirculación FERIADO NACIONAL Primer Gobierno Patrio - Día de la Revolución de Mayo (miércoles)

1/06

5

TP Nº 3 b: RECIRCULACIÓN

8/06

5

T4a: Reacciones Complejas en Paralelo – Reacciones Complejas en Serie T4b: Reacciones Complejas en Serie y Serie Paralelo.

12/06

5

TP Nº 4: DISEÑO PARA REACCIONES COMPLEJAS SERIE - PARALELO

5

TP Nº 4: DISEÑO PARA REACCIONES COMPLEJAS SERIE - PARALELO EXÁMEN N° 2 (TEMAS 4 Y 4). Teórico y práctico

Receso invernal. En 2do semestre, cambio de día y horario de clases y consultas para el 2do. Semestre.

Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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CRONOGRAMA SEGUNDO SEMESTRE Clases: Lunes 17:30 hs a 21:15 hs. PROFESOR Teoría: Ing. Ana MÜLLER Práctica: Ing. Fernanda TARDITI Práctica: Ing. Andrea RIVAROLA Práctica: Tco. Qco. Univ. David FLORES MOLINA

CONSULTA

DÍA

Hs.

TEMARIO

8/08

5

T5 ay b: diseño para reacciones simples homogéneas no isotérmicas y adiabáticas (NIA)

15/08

--

FERIADO NACIONAL: Paso a la Inmortalidad del General San Martín (pasa al lunes 15/08).

22/08

5

29/08

5

12/09

5

19/09

5

TP Nº5 a: REACTORES NO ISOTERMICOS Y ADIABATICOS (NIA) T5 c: diseño para reacciones simples homogéneas para reacciones simples homogéneas no isotérmicas ni adiabáticas NINA MESA DE EXAMEN FINAL / no hay clase TP Nº 5 b: REACTORES NO ISOTÉRMICOS NI ADIABÁTICOS (NINA). DISEÑO DE SISTEMAS ADIABÁTICOS EN SERIE CONCLUSIONES NIA - NINA T6 a: Reacciones heterogéneas no catalíticas FLUIDO - SÓLIDO

26/09

5

TP Nº 6 a: REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS FLUIDO – SÓLIDO

3/10

5

T6 b: Reacciones heterogéneas no catalíticas FLUIDO - FLUIDO

5/09

10/10 17/10 24/10 31/10 7/11 14/11 21/11

07/12

FERIADO NACIONAL: Día del Respeto a la Diversidad Cultural (pasa al lunes 10/10). 5

TP Nº 6 b: REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS FLUIDO - FLUIDO

T7: Catalizadores TP Nº 7: REACCIONES CATALIZADAS - PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS 5 CATALIZADORES T8: Cinética de las reacciones catalíticas heterogéneas gas-sólido y diseño de sus reactores 5 TP Nº 8: DISEÑO DE REACTORES PARA REACCIONES CATALIZADAS EXÁMEN N° 3 (TEMAS 5 a 8). Teórico y práctico TP Nº 9: SIMULACIÓN DE REACTORES. (PRÁCTICA DISEÑADA POR ING. SERGIO 5 FLORES) T9: Reactores reales homogéneos y reactores industriales 5 TP Nº 10: FLUJO NO IDEAL (suma en horas teórico y práctica juntas) RECUPERATORIOS NO REGULARES – Deben presentar carpeta de Trabajos Prácticos Completa. 5 RECUPERATORIO DE AUSENTES JUSTIFICADOS 19:00 REGULARES EN EXAMENES: Presentación de Carpetas / Firma de BTP 5

19:00

ENTREGA DE EXAMENES RECUPERATORIOS Y RECEPCIÓN DE CARPETAS.

Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

Ing. Andrea Rivarola (JTP)

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TP Nº1

de

OBTENCIÓN Y DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS

OBJETIVOS  Aplicar conceptos básicos de asignaturas previas.  Comprender y aplicar los conceptos de cinética de las reacciones químicas.  Aplicar modelos para identificar la ley cinética de reacciones químicas.  Comprobar distintas maneras correctas de resolución de un problema (analítico y/o gráfico).  Aplicar herramientas informáticas: Desarrollo en hojas de cálculo. Polymath 5.1: Método de regresión lineal HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS REQUERIDOS  Conceptos: Cinética Química – Módulo de reacción – Ley de Arrhenius  Matemáticas: Álgebra (resolución de ecuaciones de primer y segundo grado). Análisis Matemático: reconocimiento de funciones y sus respectivas gráficas – raíces – derivación e integración y E.D.O (Ecuaciones Diferenciales Ordinarias)  Desarrollo de gráficas: graficar en sistemas de ejes coordenados convenientes de acuerdo con la información requerida y parámetros involucrados.  Capacidad de formar y resolver sistemas de ecuaciones. RECOMENDACIONES: Estrategia  Lea atentamente el problema y trate de comprender el enunciado. Comience a resolver sólo cuando deduzca que se le está solicitando.  Anote la información suministrada por el problema.  Registre por escrito la información que usted conoce de teoría.  Aclare el tipo de reactor en el que deberá trabajar: identificar si se trata de un proceso por lotes o de flujo continuo (esquema básico)  Escriba la Estrategia de Resolución paso a paso. Debe coordinar y administrar todas las herramientas disponibles (información previa) de modo que converjan a responder lo solicitado. NOTA: Recuerde que debe trabajar en un sistema de unidades homogéneo. BREVE INTRODUCCIÓN Considerando que la velocidad de una reacción química cuantifica la rapidez con la que se agota o se genera un compuesto químico, la expresión que lo define es: ሺേ‫ݎ‬௜ ሻ ൌ േ

݀‫ܥ‬௜ ݀ߠ

La velocidad de reacción, presenta otros algoritmos que se igualan al anterior: x

x

Cuando se trata de reacciones elementales, se adopta mediante la teoría de la Colisiones, una expresión en función de las concentraciones de los reactivos, las molecularidades de la ecuación estequiométrica pura, y la constante específica de la reacción. Cuando se trata de reacciones no elementales, se adoptan algoritmos empíricos, funciones de las variables concentración y constantes de la velocidad de la reacción. Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

Ing. Andrea Rivarola (JTP)

Ing. Fernanda Tarditi (JTP)

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El diseño apropiado de la práctica de laboratorio que permita diagnosticar la variación de la concentración de reactivos en función del tiempo, y el análisis matemático, son herramientas que permiten determinar la correcta cinética de una reacción y/o al menos descartar aquellas expresiones que no se ajustan a los datos experimentales. EJERCITACIÓN SOBRE OBTENCIÓN E INTERPRETACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS I)

GENERALIDADES

Ej. Nº 1: a) Para reacciones en estado líquido, la constante específica de la reacción tiene distintas unidades según el orden de la reacción. Desarrolle y explicite, a partir de orden cero hasta orden “n”, la expresión general de la constante específica de la velocidad de reacción para orden “n-ésimo”. Le recomendamos realice una planilla. b) En el caso de reactivos gaseosos, la velocidad de reacción suele tomarse en función de la variación de la presión parcial del reactivo limitante. Desarrolle y denote, a partir de orden cero hasta orden “n-ésimo”, la expresión general de la constante específica de la velocidad de reacción. c) Compare las respuestas correctas de los puntos a) y b), analice y exprese por escrito a qué se debe la diferencia hallada. Ej. Nº 2: En planilla de cálculo de su computadora, realice las siguientes gráficas, (conservando las impresiones de planillas de cálculo y gráfica en la resolución del presente práctico), e inclúyalos en la carpeta: 2.a) Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 1 [mol/L] y k = 1 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3. 2.b) Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 1 [mol/L] y k = 10 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3. 2.c) Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 1 [mol/L] y k = 100 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3. 2.d) Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 5 [mol/L] y k = 1 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3. 2.e) Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 5 [mol/L] y k = 10 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3. 2.f)

Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 5 [mol/L] y k = 100 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3.

2.g) Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 10 [mol/L] y k = 1 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3. 2.h) Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 10 [mol/L] y k = 10 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3. 2.i)

Grafique en ejes coordenados CA & t; grafique para CA0 = 10 [mol/L] y k = 100 [unidades en función de n] para n= -1; 0, ½, 1, 2 y 3.

RECOMENDACIÓN 1: Según la planilla de cálculo en el que desarrolle la ejercitación, verifique que la asignación de valores de ejes coordenados, el origen de coordenadas, permitan ver

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curvas que se distingan entre sí, permitiéndole conocer las funciones definidas (si hay ceros – si hay coincidencia en valor de la función, tendencia de la función, forma, etc) RECOMENDACIÓN 2: Reserve la planilla de cálculo para estudiar y realizar el siguiente ejercicio. COMPLEMENTO A DESARROLLAR: Cuando concluya el desarrollo a) a i), repita junto a cada gráfica desarrollada, la nueva gráfica en par de ejes coordenados xA & t. Ej. Nº 3: Utilizando una de las planillas de cálculo del ejercicio anterior (un valor de concentración inicial del reactivo limitante, y un valor de la constante específica de la velocidad de la reacción; grafique en un par de ejes coordenados la función: (-rA) & CA, para cada orden de reacción, Analice las funciones. Para esto, recuerde que debe ampliar la planilla de cálculo incorporando las columnas: ∆t / ∆CA / ሺെ‫ݎ‬஺ ሻ ൌ െ

݀‫ܥ‬஺ ݀ߠ

Tendrá una curva para cada orden de reacción, podrá hacerlo en una misma gráfica, y le permitirá analizar y profundizar el conocimiento de la velocidad de reacción. COMPLEMENTO A DESARROLLAR: repita junto a cada gráfica desarrollada, la nueva gráfica en par de ejes coordenados xA & CA. Ej. Nº 4: Grafique la evolución de las concentraciones del reactivo A en función del para la reacción autocatalítica, cuya información cinética es: (-rA) = k CA CB A+Bo2B k = 1 [L/mol.min] La alimentación contiene 99% A y el resto de B. Se quiere obtener un producto que contenga 90% de B y el resto de A. Siendo la concentración de las sustancias activas: CA0 + CB0 = CA + CB =C0 = 1 [mol/L] Repita la gráfica para el par de ejes coordenados XA & t. Ej. Nº 5: Para la reacción: A + B → 2C: a) Exprese el número de moles de B y de C en función de la conversión de A. b) Exprese el número de moles totales en función del compuesto A, para un tiempo “t” posterior al inicio de la reacción. c) Calcule el factor de variación volumétrica. d) Si esta reacción se lleva a cabo con 50% de inertes, exprese el número de moles totales en función del compuesto A, para un tiempo “t” posterior al inicio de la reacción. También exprese el factor de variación volumétrica para esta situación. Ej. Nº 6: Se ha encontrado experimentalmente que en 10 minutos se convierte en producto 45 % de un líquido reactante con un orden de reacción igual a 0,5. Calcule la cantidad convertida en 25 minutos.

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II) MÉTODO DE LAS VELOCIDADES INICIALES (MVI) Ej. Nº 7: De experiencia de laboratorio, se obtuvieron los siguientes datos de la velocidad de reacción de la siguiente reacción química:

A+BoC

Exp. 1 2

CAo 0.1 0.2

CBo 0.2 0.2

(--rA) 24.10-2 4,8.10-1

3

0.1

0.1

3.10-2

Determinar cuál es la ecuación cinética y el valor de la constante de reacción. III) MÉTODO DIFERENCIAL y MÉTODO INTEGRAL CADA UNO DE LOS SIGUIENTES EJERCICIOS DEBEN REALIZARSE CON AMBOS MÉTODOS EN PAPEL, LUEGO EN PLANILLA DE CÁLCULO DISPONIBLE EN SU COMPUTADORA, AMBOS A INCLUIR EN LA PRESENTE CARPETA. Ej. Nº 8: Se cuenta con la información que describe la descomposición del ácido p-toluensulfónico en solución ácida a 70 °C, la misma presentada en la planilla: Tiempo [min] 0 15 30 45 60 120 180 300

Concentración de Ácido [mol/m3] 100 86,3 75,2 64,00 56,8 38,7 29,7 19,6

Determinar la cinética de la reacción. Ej. Nº 9: La reacción reversible en fase líquida: A ' R + S; transcurre de acuerdo con los siguientes datos: t [m min] CA [mol/L]

0 0,1823

36 0,1453

65 0,1212

100 0,1025

160 0,0795

∞ 0,0494

La experiencia se realizó con una concentración inicial del componente A de 0,1823 [mol/L]; una concentración inicial nula del compuesto R, y de 55 [mol/L] del compuesto S. Determinar la cinética de la reacción, y los valores del equilibrio químico (Keq. y xeq).

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Ej. Nº 10: Un dímero B es producido por una reacción de segundo orden a partir de un compuesto A. El dímero reacciona aún más, en una reacción de isomerización de primer orden, para producir un isómero C; según el siguiente esquema de reacción: 2A → B → C; siendo k1 y k2, las constantes específicas de la primera y segunda reacción en serie. Con los datos obtenidos de la experiencia realizada y presentados en la planilla, determine los valores de cada constante específica de la reacción: t [horas]

CA [mol/L]

CB [mol/L]

CC [mol/L]

0

1,00

0

0

0,03

0,76

0,098

0,02

0,06

0,63

0,132

0,06

0,10

0,51

0,140

0,10

0,15

0,39

0,120

0,17

0,20

0,33

0,100

0,24

0,30

0,25

0,050

0,32

Ej. Nº 11: Un pequeño reactor equipado con un dispositivo para medir presión se evacúa y después se llena con un reactivo A puro a la presión de 1,3 [atm]. Se sabe que la reacción es irreversible y se representa de la siguiente forma: 2A → B t [minutos]

1

2

PRESIÓN TOTAL 1,14 [atm]

3

4

5

6

7

8

10

9

1,04 0,982 0,940 0,905 0,870 0,850 0,832 0,815 0,800

Deduzca y presenta la ecuación cinética. IV) LEY DE ARREHENIUS CADA UNO DE LOS SIGUIENTES EJERCICIOS DEBEN DESARROLLARSE EN PAPEL Y LUEGO EN PLANILLA DE CÁLCULO DISPONIBLE EN SU COMPUTADORA, REALIZANDO LA GRÁFICA DE LA LEY EN FORMA EXPONENCIAL Y JUNTO A ESTA EN FORMA LINEALIZADA. Ej. Nº 12: Para el cracking térmico de eteno en un reactor tubular, se obtuvieron los siguientes datos para el coeficiente cinético a diferentes temperaturas: T [°C]

702

725

734

754

773

789

803

810

827

K [s (-1)]

0,15

0,273

0,333

0,595

0,923

1,492

2,138

2,718

4,137

a) Determinar la ENERGÍA DE ACTIVACIÓN y el FACTOR DE FRECUENCIA o factor preexponencial para esta reacción. b) Indique el orden de la reacción y presente la expresión cinética.

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Ej. Nº 13: Calcular la ENERGÍA DE ACTIVACIÓN para una reacción que duplica su velocidad entre 300 °K y 310 °K. Ej. Nº 14: La constante específica de la velocidad de la reacción de descomposición del óxido nitroso, tomada en [L/mol · seg], es 0,135 a 694 [°C] y 3,70 a 812 [°C]. Calcular la ENERGÍA DE ACTIVACIÓN y el FACTOR DE FRECUENCIA de esta reacción e indique el valor de la constante para una temperatura de 550 [°C]. Ej. Nº 15: CONCLUSIONES Desarrollo las conclusiones técnicas que se desprenden de la práctica desarrollada. a) Compare las gráficas de CA & t y XA & t, y comente sus conclusiones. b) Realice el ejercicio 2 y 3 considerando cinéticas que cambian de orden, planteado en la Página 59 del Libro Ingeniería de las Reacciones Químicas 3ra Edición de Octave Levespiel. c) Para cada problema en el que se plantea información para definir las cinéticas de distintas reacciones, analice, estudie y plantee el DISEÑO del ensayo que le permite obtener la información.

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TP Nº2

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REACTORES IDEALES

OBJETIVOS  Aplicar criterios y conocimientos de asignaturas previas, incorporando los aprendidos en la unidad correspondiente.  Formar la capacidad de crear estrategias de resolución de problemas.  Ejercitar los conceptos y metodologías de resolución de Álgebra y Análisis Matemático como herramientas de resolución de situaciones problemáticas.  Comprender que en casi todos los casos nos interesa obtener un producto de la manera más conveniente: tanto técnica como económicamente posible (mayor conversión a menor volumen y menor costo de diseño y operación).  Comparar la eficacia entre reactores en estado estacionario. HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS REQUERIDOS  Conceptos Básicos: Cinética Química – Módulo de reacción – Ley de Arrhenius.  Matemáticas: Resolución de EDO (Ecuaciones Diferenciales Ordinarias). Análisis matemático. Desarrollo de gráficas: graficar en sistemas de ejes coordenados convenientes de acuerdo la información requerida y parámetros buscados involucrados.  Informática: Desarrollo de planillas de cálculo - The Reactor Lab – SciLab – Polymath 5.1  Características de los REACTORES IDEALES.  BALANCE DE MATERIA y ECUACIONES DE DISEÑO para cada tipo de Reactor Ideal. RECOMENDACIONES  Lea atentamente el problema y trate de entenderlo: Aclare que se le está solicitando.  Aclare el tipo de reactor en el que deberá trabajar: Dibújelo, y en el diagrama resultante anote la información suministrada por el problema (entradas, salidas, condiciones internas de cada reactor).  Escriba la estequiometria y desarrolle el BALANCE DE MOLES.  Escriba la LEY DE VELOCIDAD  Escriba la ECUACIÓN DE DISEÑO del reactor planteado en estudio.  ESTRATEGIA: Debe coordinar y administrar todas las herramientas disponibles (información previa) de modo que converjan a responder lo solicitado. Debe realizar el croquis que represente la situación planteada en cada enunciado. NOTA: Recuerde que debe trabajar en un sistema de unidades homogéneo. RECUERDE CONTESTAR LAS CONCLUSIONES

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PROBLEMAS SOBRE REACTORES IDEALES Ej. Nº 1: Consideraciones importantes a) Tome la planilla de cálculo desarrollada para la ejercitación N° 2 del Trabajo Práctico N° 1, y desarrolle gráficas de (1/-rA) & XA. b) Analice y explique la relevancia de la gráfica desarrollada y qué representa la función dibujada. c) Para una reacción elemental: A + 2B o 3P, exprese las velocidades respecto de cada componente, indique CA, CB y Cc en función del reactivo limitante B. d) Para una reacción en fase gaseosa: A + B o 3C +D, exprese y calcule la variación relativa del volumen del sistema, considerando que la alimentación del sistema es estequiométrica; luego repita el cálculo pero para un sistema cuya alimentación tiene 50% de inertes. Para este último caso, exprese y calcule el Flujo molar total para un tiempo posterior al inicio de la reacción. REACTORES DISCONTINUOS Y CONTINUOS /REACTORES MEZCLA COMPLETA Y FLUJO PISTÓN: RTD – RTA Y RFP Ej. Nº 2: En un reactor se planifica la conversión de A en R. La reacción se efectúa en fase líquida, la estequiometría es: A o R y la velocidad de reacción es la indicada en la siguiente tabla: CA (mol/L)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1.0

1.3

2.0

(-rA) (mol/L.min)

0.1

0.3

0.5

0.6

0.5

0.25

0.10

0.06

0.05

0.045

0.042

Para cada ejercicio, dibuje: 1) el croquis de la situación. 2) las funciones involucradas (ley cinética y diseño del reactor) y desarrolle 2). Visualizar y analizar planillas de cálculo (incorporar impresas en su carpeta). Debe visualizar y analizar la función de la Ley Cinética y la función de las ecuaciones de diseño. REACTOR DISCONTÍNUO: 2.1. Calcular el tiempo que ha de reaccionar cada carga de un reactor discontinuo, para que la concentración disminuya desde CA0 = 1,3 [mol/L], a CAf= 0,3 [mol/L]. REACTOR TANQUE AGITADO: 2.2. Calcular el tamaño del reactor tanque agitado necesario para alcanzar la conversión del 75% de una alimentación de 1.000 [mol A/h], con CA0 = 1,2 mol/L. 2.3. Calcular el tamaño del reactor tanque agitado necesario para alcanzar la conversión del 75% de una alimentación de 2.000 [mol A/h], con CA0 = 1,2 mol/L. 2.4. Calcular el tamaño del reactor tanque agitado necesario para una alimentación de 1.000 [mol A/h], con CA0 = 2,4 mol/L y CAf= 0,3 mol/L. 2.5. Indique las conclusiones que se desprenden de los cálculos realizados para un reactor tanque agitado. REACTOR FLUJO PISTÓN: 2.6. Determinar el tamaño de un reactor flujo pistón necesario para alcanzar una conversión de 80% de una alimentación 1000 mol A/h, con CA0 = 1,5 mol/L. 2.7. Calcular el tamaño del reactor flujo pistón necesario para alcanzar la conversión del 80% de una alimentación de 1000 mol A/h, con CA0 = 1,2 mol/L. Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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2.8. Calcular el tamaño del reactor flujo pistón necesario para alcanzar la conversión del 80% de una alimentación de 2000 mol A/h, con CA0 = 1,2 mol/L. 2.9. Calcular el tamaño del reactor flujo necesario para alcanzar la conversión del 80% de una alimentación de 1000 mol A/h, con CA0 = 2,4 mol/L y CAf= 0,3 mol/L. 2.10. Indique las conclusiones que se desprenden de los cálculos realizados para un reactor tanque agitado. 2.11. Determinar el tamaño de un reactor tanque discontinuo, para producir 453 kg/día en dos turnos de 8 horas. Se requieren 20 min para cargar el reactor y calentarlo a 50°C y 10 min para enfriarlo y retirar la carga. La conversión final que se pretende es del 75%. Se usa la misma concentración que en la experiencia de laboratorio. Determinar la tasa máxima de producción alcanzable en esas condiciones. Ej. Nº 3: Se han obtenido los datos de la tabla en la descomposición de reactante A en fase gaseosa en un reactor discontinuo a volumen constante a 100 °C. La estequiometría de la reacción es: 2A o R + S t (s) pA (atm)

0 1.00

20 0.80

40 0.68

60 0.56

80 0.45

100 0.37

140 0.25

200 0.14

260 0.08

330 0.04

420 0.02

Para cada ejercicio, dibuje: 1) el croquis de la situación. 2) las funciones involucradas (ley cinética y diseño del reactor) y desarrolle 2). Visualizar y analizar planillas de cálculo (incorporar impresas en su carpeta). Debe visualizar y analizar la función de la Ley Cinética y la función de las ecuaciones de diseño. REACTOR DISCONTINUO 3.1. Calcúlese el tiempo de reacción para la conversión de 95% de A, en un reactor discontinuo (en horas – minutos –segundos); el que operando a 100°C y 1 atm, trata 100 moles de A por hora de una alimentación que contiene 20% de inertes. 3.2. ¿Cuál sería la producción del reactor diseñado para la situación previa, si los tiempos muertos representan 2 horas 45 minutos? REACTOR TANQUE AGITADO 3.3. Calcúlese el tamaño del reactor tanque agitado (en litros), para que operando a 100°C y 1 atm pueda tratar 100 moles de A por hora de una alimentación que contiene 20% de inertes para obtener una conversión de 95% de A. 3.4. Si se emplea un tanque de 208 L como un reactor de mezcla completa, para idénticas condiciones de la alimentación y funcionamiento, calcúlese la conversión de A que puede lograrse en este reactor. 3.5. Para el caso previo, calcular el tiempo de residencia que se corresponde a los datos ofrecidos. REACTOR FLUJO PISTÓN 3.6. Calcúlese el tamaño del reactor de flujo pistón (en litros), para que operando a 100°C y 1 atm pueda tratar 100 moles de A por hora de una alimentación que contiene 20% de inertes para obtener una conversión de 95% de A. 3.7. Para el caso previo, calcular el tiempo de residencia que se corresponde a los datos ofrecidos. 3.8. Compare los casos ejercitados para reactores de flujo e indique sus conclusiones. Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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Ej. Nº 4: La descomposición de A en fase acuosa se está estudiando en un reactor experimental de tanque agitado. Los resultados de los ensayos en estado estacionario se muestran en la tabla dispuesta a continuación Concentración de A, mol/L Tiempo de permanencia, s En la alimentación En la salida 2,0 2,0

0,65 0,92

300 240

2,0 1,0

1,0 0,560

250 110

1,0 0,48 0,48

0,37 0,42 0,28

360 24 200

0,48

0,20

560

REACTOR FLUJO PISTÓN 4.1. Calcular el tiempo de residencia o de retención necesario de un REACTOR FLUJO PISTÓN, para obtener 75 % de conversión del reactivo de una alimentación con CA0= 0,8 [mol/L]. REACTOR TANQUE AGITADO 4.2. Calcular el tiempo de residencia de un REACTOR TANQUE AGITADO, para obtener 75 % de conversión del reactivo de una alimentación con CA0= 0,8 [mol/L]. Ej. Nº 5: Una alimentación acuosa de A y B: 400 [L/min], 100 [mmol A/L]; 200 [mmol B/L]) se han de convertir en producto. La cinética de la reacción está representada por: A + B o R; (-rA)= 200·CA·CB [mol/L·min]. REACTOR TANQUE AGITADO: 5.1 Calcular el volumen necesario de reactor tanque agitado para obtener una conversión de 99,9 % de A en producto. 5.2 Calcular el volumen necesario de reactor tanque agitado para obtener una conversión de 99,9 % de A en producto, considerando que ambos componentes alimentan al reactor de modo independiente con corrientes de alimentación de 400 [L/min] respectivamente. 5.3 Indique conclusiones a las que llega comparando los dos problemas resueltos. REACTOR FLUJO PISTÓN: 5.4 Calcular el volumen necesario de reactor flujo pistón para obtener una conversión de 99,9 % de A en producto. 5.5 Calcular el volumen necesario de reactor flujo pistón para obtener una conversión de 99,9 % de A en producto, considerando que ambos componentes alimentan al reactor de modo independiente con corrientes de alimentación de 400 [L/min] respectivamente. 5.6 Compare los resultados obtenidos para cada tipo de reactor y escriba las conclusiones a las que arriba.

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Ej. Nº 6: En un reactor discontinuo se desea producir 50 [T/d] de acetato de etilo (C), a partir del etanol (A) y ácido acético (B). CH3CO2OH + CH3CO2H ' CH3CO2C2H5 + H2O Contamos con la siguiente información:

(-rA ) k [ CA . CB – (CC.CD )/K K] k 7,93 x 10

–6

3

[m /kmol s]

K 2,93 MA 46 [Kg/Kmol] MB 60 [Kg/Kmo] MC 88 [Kg/Kmo] MD 18 [kg/kmol] El reactor se cargara con una solución conteniendo 23% en peso de B y 46% de A, siendo el resto agua (D). La conversión requerida de B es del 35% y la densidad de la mezcla, a la que se puede considerar constante, es de 1,02 [Kg/L]. La planta operara día y noche, estimándose el tiempo para las operaciones de carga, descarga y limpieza del reactor de 1 [h/ciclo]. Independiente de su tamaño. ¿Cuál será el volumen del reactor que operando isotérmicamente a 100 [ºC] satisfaga las condiciones establecidas? Ej. Nº 7: La alimentación de un reactor se realiza mediante 3 corrientes individuales e iguales de 3 reactivos con las siguientes concentraciones, teniendo en cuenta que el componente C es inerte: C A0 = 4,2 mol/L; CB0 = 2,4 mol/L; CC0 = 0,9 mol/L. Su estequiometria es: A + B ' P + W La información conocida es: k1 k2 (-rA) Conversión componente limitante

7,5 [L/mol.min] 3,0 [L/mol.min] k1CACB - k2 CP CW 0,75

REACTOR TANQUE AGITADO 7.1. Para un reactor tanque agitado, calcular el caudal volumétrico de cada corriente y el tiempo espacial, sabiendo que la densidad es constante y su volumen de 120 [L]. 7.2. Repita el diseño pero para el caso de que la corriente de alimentación sea única. REACTOR FLUJO PISTÓN 7.3. Calcular el tiempo espacial, suponiendo que ahora se trata de un reactor flujo pistón. 7.4. Repita el diseño pero para el caso de que la corriente de alimentación sea única. 7.5. Concluya sobre los resultados hallados.

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Ej. Nº 8: La reacción en fase gaseosa homogénea: A o 2B, se efectúa a 100°C a la presión constante de 1 atm en un reactor discontinuo experimental, obteniéndose los datos de la tabla cuando se parte de A puro. t (min)

0

V/FVo

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1.00 1.20 1.35 1.48 1.58 1.66 1.72 1.78 1.82 1.86 1.88 1.91 1.92 1.94 1.95

REACTOR FLUJO PISTÓN 8.1. Calcúlese el tamaño del reactor de flujo pistón operando a 100°C y 10 atm con una conversión del 90% de A para un caudal de alimentación de 10 mol/s (total) conteniendo un 40% de inertes. REACTOR TANQUE AGITADO 8.2. Ídem para reactor tanque agitado. Ej. Nº 9: A una temperatura de 649 °C la fosfamina (PH3) se descompone en fase gaseosa homogénea según la reacción: 4 PH3 o P4(g) + 6H2 ; -rA= (10 h-1) CPH3 Calcular el tamaño del reactor flujo pistón con características de operación de 649 °C y 11,4 atm que se necesita para una conversión del 75% de 10 mol/h de fosfamina en una corriente de alimentación que contienen 2/3 de este compuesto y 1/3 de Inerte. Ej. Nº 11: En un REACTOR TANQUE AGITADO de laboratorio, de 2 litros de capacidad, se lleva a cabo la reacción de hidrólisis del acetato de metilo, la cual es catalizada por medio de un ácido. La reacción es reversible, siendo la siguiente: CH3-COO-CH3 + H2O ' CH3-CO2H + CH3-OH acetato de metilo agua ácido acético metanol Se alimenta al reactor con una solución acuosa conteniendo 8,5 moles de A y 17 moles de B por litro de solución. El reactor es operado a 25 [ºC] y a distintos caudales de alimentación se obtuvieron los siguientes resultados: Fv [ml / min]

41,90

15,80

6,50

3,70

1,40

CA [mol/L]

7,65

6,80

5,95

5,52

5,10

Determinar el valor de k1 y k2, y la conversión de equilibrio. El caudal de ácido es despreciable y la densidad puede considerarse constante. UTILICE LA ECUACIÓN DE DISEÑO DEL REACTOR Y LA PLANILLA DE CÁLCULO Ej. Nº 12: En un REACTOR TUBULAR (RFP), se ha estudiado la reacción en fase gaseosa entre la acreolina (A) y el 1-3-Butadieno (B), para obtener el 1-2-3-6-Tetrahidrobencealdehido (C): A+BoC La reacción es irreversible y el estudio cinético a la presión constante de 20 [atm] con alimentación en cantidad equimolecular de A y B experimentada en dicho reactor llevó a cabo a tres temperaturas distintas y la información recogida es la siguiente:

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250 ºC V/FA0 [L.seg / mol] 64 129 176 240 341

300 ºC xA 0,03 0,06 0,08 0,11 0,15

V/FA0 [L.seg / mol] 31 62 103 137 189

de

350 ºC xA 0,06 0,12 0,19 0,24 0,32

V/FA0 [L.seg / mol] 12 18 58 87 142

xA 0,08 0,12 0,32 0,45 0,6

Utilizando planilla de cálculo y la ecuación de diseño del reactor, determinar: a) El orden de reacción aplicando el método integral. b) La ley cinética de la reacción aplicando planilla Excel. Determinar la ENERGÍA DE ACTIVACIÓN y el FACTOR DE FRECUENCIA o factor pre-exponencial para esta reacción. Se puede considerar que los gases se comportan idealmente. Ej. Nº 10: CONCLUSIONES Desarrollo las conclusiones técnicas que se desprenden de la práctica desarrollada. 10.1 Plantee la Estrategia de desarrollo que usted utiliza. 10.2 Compare eficacia entre los reactores. ¿Qué parámetro utiliza para comparar reactores por lotes y reactores de flujo estacionario? 10.3 Compare tiempos de residencia de los distintos reactores, y en función de ello establezca el orden de eficiencia desde el mas a menos eficiente. 10.4 Establezca usos apropiados para cada tipo de reactor. 10.5 Los integrandos de las ecuaciones de diseño de los reactores discontinuo y flujo pistón son equivalentes. ¿Cuál sería la diferencia? 10.6 Para cinéticas con órdenes de reacción superiores a 1, establezca el orden de uso de reactores según su eficacia (desde el más eficaz al menos eficaz). DESARROLLE GRÁFICA(S) QUE LE PERMITAN RESPONDER ADECUADAMENTE 10.7 Para cinéticas con órdenes de reacción inferiores a 1, establezca el orden de uso de reactores según su eficacia (desde el más eficaz al menos eficaz). DESARROLLE GRÁFICA(S) QUE LE PERMITAN RESPONDER ADECUADAMENTE. 10.8 Para un reactor flujo pistón; desarrolle la gráfica que le permita desarrollar la comparación de eficiencia (en términos de conversión de reactivo) entre distintos valores de cambio fraccionario de volumen por mol de A que reaccionó (ε ), como resultado del cambio en el número total de moles. 10.9 Calcule el número de Damköhler (Da) para todos los reactores de flujo estacionariio ejercitados. 10.10 Relacione este número con las correspondientes conversiones obtenidas, y con los correspondientes volúmenes requeridos. 10.11 Desarrolle y adjunte la impresión de todos los problemas realizados en planilla de cálculo. IMPORTANTE: Desarrolle todos los problemas del TP N° 1, utilizando las ecuaciones de los balances de materia de los reactores que indican en los respectivos enunciados.

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TP Nº 3

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MULTIREACTORES – REACTORES FLUJO PISTÓN CON RECIRCULACIÓN

OBJETIVOS  Integrar los conceptos de los temas: Cinética Química – Reactores Ideales – Recirculación y Multireactores, cuándo utilizar uno u otro.  Comprender que en casi todos los casos nos interesa obtener un producto de la manera más conveniente: tanto técnica como económicamente posible (mayor conversión a menor volumen y menor costo de diseño y operación).  Ensayar diversas estrategias de resolución.  Ejercitar varias alternativas de disposición de reactores RTA. Comparar eficacia entre reactores estacionarios: 9 RTA ideal en serie de distinto tamaño: Hallar la disposición más conveniente. 9 RTA ideal en serie de distinto tamaño: Hallar la disposición más conveniente. 9 RTA ideal en serie de igual tamaño: Utilizar de gráficas que comparan diseños de N reactores RTA en serie con un reactor FP. 9 RTA y RFP en serie. Alternativas más convenientes. HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS REQUERIDOS  Conceptos Básicos: Cinética Química – Módulo de reacción – Ley de Arrhenius – Conversión Fraccional.  Matemáticas: Capacidad de formar sistemas de ecuaciones. Análisis matemático: Desarrollo de EDO (Ecuaciones Diferenciales Ordinarias). Desarrollo de gráficas: graficar en sistemas de ejes coordenados convenientes de acuerdo la información requerida y parámetros buscados involucrados.  Informática: Desarrollo de planillas de cálculo - The Reactor Lab – SciLab – Polymath 5.1.  Características de los REACTORES IDEALES.  BALANCE DE MATERIA y ECUACIONES DE DISEÑO para cada tipo de Reactor Ideal. RECOMENDACIONES  Lea atentamente el problema y trate de entenderlo: Aclare que se le está solicitando.  Aclare el tipo de reactor en el que deberá trabajar: Dibújelo, y en el diagrama resultante anote la información suministrada por el problema (entradas, salidas, condiciones internas de cada reactor).  Escriba la estequiometria y desarrolle el BALANCE DE MOLES.  Escriba la LEY DE VELOCIDAD  Escriba la ECUACIÓN DE DISEÑO del reactor planteado en estudio.  ESTRATEGIA: Debe coordinar y administrar todas las herramientas disponibles (información previa) de modo que converjan a responder lo solicitado. Debe realizar el croquis que represente la situación planteada en cada enunciado. NOTA: Recuerde que debe trabajar en un sistema de unidades homogéneo.

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PROBLEMAS SOBRE MULTIREACTORES I) REACTORES TANQUE AGITADO DE IGUAL TAMAÑO Ej. Nº 1: Para una reacción de n=1, desarrolle a expresión del tiempo espacial de N reactores tanque agitado conectados en serie de igual tamaño. Una vez concluido el cálculo de la nomenclatura general, analícela e indique si el tiempo espacial obtenido corresponde a uno o N reactores. Ej. Nº 2: Se dispone de 3 reactores tanque agitado de 100 [L] cada uno, que se usan para efectuar la siguiente reacción: A + 2B o C El sistema es alimentado con 12,5 [L/s] de cada solución, que contiene 0,4 y 0,8 [mol/L] respectivamente de A y B. 11

La cinética es: (-rA) = [7,005 x 10 e

(-18.280/RT)

]CA.CB

Si los 3 reactores operan isotérmicamente a 50 [°C], calcular: a) La conversión del componente A en la salida del último reactor, en un sistema en serie. Utilice método algebraico. b) La conversión del componente A en la salida del último reactor, en un sistema en serie. Utilice método gráfico. c) La conversión del componente A en la salida de cada reactor, en un sistema en paralelo. Ej. Nº 3: Se dispone de 2 reactores tanque agitado de 100 [L] respectivamente, en los que se desea efectuar la reacción de segundo orden entre A y B a 50 [°C]. El sistema se alimenta con dos corrientes individuales, y se sugiere suponer densidad constante. Además contamos con la siguiente información: (-rA) K CA0 CB0 FvB =FvA

k CACB 0,299 [L/mol s] 0,4 [mol/L] 0,8 [mol/L] 0,5 [L/s]

Si la cinética de la reacción es: A + 2B o P. Determinar: a) La conversión a lograr. (Utilice la Gráfica de Levenspiel para multireactores). b) Supóngase que ambos reactores son de 10 litros, que conversión se logrará. (Utilice la Gráfica de Levenspiel para multireactores). Ej. Nº 4 En un reactor tanque agitado se produce C a partir de A y B con una cinética de segundo orden. La conversión obtenida es del 50%. Se desea instalar un segundo reactor de igual volumen en serie con el primero. Usando la gráfica de Levenspiel apropiada:

a) Si se trata el mismo caudal de alimentación, ¿cómo se modificara la conversión? b) Si se desea operar a conversión constante, ¿en cuánto podrá aumentarse la carga de los reactores?

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II) REACTORES TANQUE AGITADO DE DISTINTO TAMAÑO PARA UN SISTEMA DE REACTORES DEFINIDOS, SELECCIÓN DEL ARREGLO MÁS EFICAZ (MAYOR CONVERSIÓN) Ej. Nº 5: Se dispone de 2 reactores tanque agitado de 10 [L] y 100 [L] respectivamente, en los que se desea efectuar la reacción de segundo orden entre A y B a 50 [°C]. El sistema se alimenta con dos corrientes individuales, y se sugiere suponer densidad constante. Además contamos con la siguiente información: (-rA) K CA0 CB0 FvB =FvA

k CACB 0,299 [L/mol s] 0,4 [mol/L] 0,8 [mol/L] 0,5 [L/s]

Si la cinética de la reacción es: A + 2B o P. Determinar: c) La disposición óptima de reactores (la que permite mayor conversión a la salida del último reactor), a través del método gráfico. d) La disposición óptima de reactores, a fin de obtener mayor conversión, a través del método analítico. e) Si la temperatura de operación del segundo reactor es superior al primero, que información requeriría y luego de tenerla, cuál sería el procedimiento con este escenario. f)

Método de la MAXIMIZACIÓN DEL RECTÁNGULO: Suponga que puede adquirir reactores nuevos para producir conforme al objetivo del enunciado; desarrolle el método para hallar el mejor tamaño de reactores y su disposición en la situación de que se desee lograr una conversión del 90%.

COMBINACIÓN DE REACTORES: g) RFP: Determine el volumen del reactor flujo pistón necesario para obtener la conversión de salida más eficiente calculada en el caso a). h) RFP: Determine el volumen del reactor flujo pistón necesario para obtener la conversión de salida calculada en el caso b). i)

RFP: Determine el volumen del reactor flujo pistón necesario para obtener la conversión de salida calculada en el caso c).

j)

Suponga que el reactor de 100 litros es un reactor flujo pistón. Determine la disposición óptima de reactores, a fin de obtener mayor conversión, a través del método gráfico.

k) Ahora suponga que el reactor de 10 litros es el reactor flujo pistón. Determine la disposición óptima de reactores, a fin de obtener mayor conversión, a través del método gráfico.

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PARA UNA CONVERSIÓN DADA, SELECCIONE EL SISTEMA DE REACTORES MÁS ADECUADO – método de la maximización de rectángulos Ej. Nº 6: Se desea producir 1.000 Kg/h de una solución al 40 % de C, a partir de A y B (A A + B o C), operando a 50 °C pero con 3 reactores tanque agitado colocados en serie. Si todos los tanques operan a igual temperatura, suponiendo tener un sistema adecuado, calcular el volumen de cada reactor. (-rA) k xA Fv

k CA 0,67 [1/min] 0,95 793,7 [L/h]

Ej. Nº 7: Una corriente de reactivo líquido de 1 [mol/L] pasa a través de 2 reactores tanque agitados conectados en serie. La concentración de A a la salida del primer reactor es de 0,5 [mol/L]. Calcular la concentración a la salida del segundo reactor, teniendo en cuenta que la reacción es de segundo orden respecto a a A y la relación de tamaños de ambos reactores es (V2 / V1) = 2. EJERCITACIÓN DE REACTORES FLUJO PISTÓN CON RECIRCULACIÓN CONSIDERACIONES DE MULTIRREACTORES I)

CÁLCULOS UTILIZANDO ECUACIONES DE DISEÑO – PLANILLAS Y GRÁFICAS

Ej. Nº 8: Dada la reacción autocatalítica, cuya información cinética es: A+Bo2B

(-rA) = K CA CB k = 1 [L/mol.min]

La alimentación contiene 99% A y el resto de B. Se quiere obtener un producto que contenga 90% de B y el resto de A. Siendo la concentración de las sustancias activas: CA0 + CB0 = CA + CB =C0 = 1 [mol/L] Se debe estudiar mediante gráficas, cual es el reactor o sistema que nos permite el mínimo tiempo de permanencia en el reactor. a) En un reactor flujo pistón b) En un reactor tanque agitado c) Usando ambos tipos de reactores continuos, de forma de tener un mínimo tamaño general sin recurrir a la recirculación. d) En un reactor flujo pistón flujo pistón con recirculación, calcular el volumen mínimo del reactor, luego para recirculación: ƒ = f ; b) ƒ = 10 ; c) ƒ = 2 ; d) ƒ = 0.

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Ej. Nº 9: Se desea producir el compuesto C, partiendo del reactivo A. La reacción es autocatalítica, siendo su estequiometría y cinética la siguiente: (-rA) = k CA CC

A+Co2C

-2

k =150 .10 [L/gmol min]

Se empleará un reactor con recirculación al que se alimentará con una solución del componente A (exento de C). La CA0 es de 2 [mol/L] y su caudal volumétrico de 1000 [L/min]. Se desea lograr una conversión de componente A del 90%. a) Calcular la relación óptima de recirculación y el tamaño mínimo de reactor que satisfaga estas condiciones. b) Grafique la recirculación óptima para una reacción autocatalítica: Indique las áreas que deben hacerse iguales - Indique la función que se iguala y para que parámetro debe hacerse - Indique la expresión de la recirculación, y la de la óptima. c) Calcule el tamaño de reactor para una recirculación menor a la óptima. d) Calcule el tamaño de reactor para una recirculación superior a la óptima. e) Calcule el tamaño del reactor sin recirculación. f)

Concluya en cuanto a eficiencia de sistemas.

g) Intente resolver mediante la igualación de las áreas (fortalecimiento de concepto teórico). II)

ESTIMACIONES UTILIZANDO LAS GRÁFICAS DE LEVENSPIEL

Para cada problema, selecciones la gráfica que se corresponda, según el orden de la reacción y respectiva estequiometría. Ej. Nº 10 Dada una reacción entre A que originará C, cuya cinética es de 1° orden: (-rA) = k CA ; k=1 [L/min]. Determinar la conversión que se obtendrá para un reactor en el cual trabajamos a distintos valores de recirculación. a) ƒ = f ; b) ƒ = 10 ; c) ƒ = 2 ; d) ƒ = 0 Sabemos que la alimentación al sistema tiene una concentración de A de 0,1 [mol/L]. Caudal de 10 [mol/min]. El volumen del reactor es de 200 litros. 3.a) Compare resultados y explique la razón de los mismos teniendo en cuenta el tipo de cinética de la reacción tratada en el reactor. Ej. Nº 11: Dado un sistema, del cual se conoce que su conversión es 0,75, se desea conocer cuál es su recirculación, siendo el volumen de 100 [L] y su caudal de 10 [L/min]. La reacción es de 2° orden y su estequiometría es: A+BoR+D

(-rA) = k CA CB k = 5 [L/mol min]

La alimentación de los reactantes es estequiométrica: CA0 =CB0 = 0,2 [gmol/L]

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EJ. N° 12 CONCLUSIONES MULTIREACTORES a) USO DE REACTORES DE DISTINTO TAMAÑO: para n > 1, determine la disposición más adecuada de dos RTA. b) USO DE REACTORES DE DISTINTO TAMAÑO: para n> < 1, determine la disposición más adecuada de dos RTA. c) USO DE REACTORES DE IGUAL TAMAÑO: determine la relación con la conversión del número de reactores conectados en serie. d) USO DE REACTORES DE IGUAL TAMAÑO: compare sistemas de reactores en paralelo y en serie. e) USO DE REACTORES DE IGUAL TAMAÑO: ¿Para qué casos utilizaría sistemas en serie y sistemas en paralelo? f) GRÁFICAS: ¿Qué tipo de análisis rápidos le permiten realizar? EJ. N° 13 CONCLUSIONES RFP CON RECIRCULACIÓN a) ¿Qué tipo de reactor debe utilizar para los procesos descritos por Reacciones Autocatalíticas? b) GRÁFICAS: ¿Qué tipo de análisis rápidos le permiten realizar? c) ¿Es posible evitar un reactor tubular con recirculación? Si es así, indique la situación en que esto es posible. Para que necesidades específicas, sólo se utilizan los reactores tubulares con recirculación. d) Para el problema N° 11, ¿Qué sistema de dos reactores conectados en serie, resultaría mejor que el sistema de reactor con recirculación? Desarrolle para obtener la evidencia de su respuesta. e) El reactivo A se descompone con la estequiometría: A o R, con velocidad de reacción dependiente únicamente de CA. Se obtuvieron los siguientes datos de esta descomposición acuosa en un reactor tanque agitado. W[[s]

14

25

CAo

200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 101

CA

100

90

29 80

30 70

29 60

27 50

24 40

19 30

15 20

12 10

20 1

Determinar qué disposición de los dos modelos de reactores de flujo continuo, proporciona: e.1) Un tiempo espacial mínimo para una conversión de 90 % de una alimentación que consiste en CA0 = 100. e.2) Si el reactor fuese tubular con recirculación, cuál sería el valor de la recirculación óptima, y el volumen del reactor.

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TP Nº 4

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DISEÑO PARA REACCIONES COMPLEJAS SERIE - PARALELO

OBJETIVOS  Formar la capacidad de crear estrategias de resolución de problemas.  Ejercitar los conceptos y metodologías de resolución de Álgebra y Análisis Matemático como herramientas de resolución de situaciones problemáticas.  Desarrollar la capacidad de establecer el mejor sistema reactor para maximizar la producción de un producto deseado. HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS REQUERIDOS  Conceptos Básicos: Cinética Química – Módulo de reacción – Ley de Arrhenius – Conversión fraccional.  Matemáticas: Desarrollo de EDO (Ecuaciones Diferenciales Ordinarias). Análisis matemático. Desarrollo de gráficas: graficar en sistemas de ejes coordenados convenientes de acuerdo la información requerida y parámetros involucrados.  Informática: Desarrollo de planillas de cálculo - The Reactor Lab – SciLab – Polymath 5.1.  Características de los REACTORES IDEALES.  BALANCE DE MATERIA y ECUACIONES DE DISEÑO para cada tipo de Reactor Ideal. RECOMENDACIONES  Lea atentamente el problema y trate de entenderlo: Aclare que se le está solicitando.  Aclare el tipo de reactor en el que deberá trabajar: Dibújelo, y en el diagrama resultante anote la información suministrada por el problema (entradas, salidas, condiciones internas de cada reactor).  Escriba la estequiometria y desarrolle el BALANCE DE MOLES.  Escriba la LEY DE VELOCIDAD  Escriba la ECUACIÓN DE DISEÑO del reactor planteado en estudio.  ESTRATEGIA: Debe coordinar y administrar todas las herramientas disponibles (información previa) de modo que converjan a responder lo solicitado. Debe realizar el croquis que represente la situación planteada en cada enunciado. NOTA: Recuerde que debe trabajar en un sistema de unidades homogéneo. EJERCITACIÓN Ej. Nº 1: Todas las siguientes reacciones competitivas en paralelo, las cuales transcurren en fase liquida y cuya estequiometría y cinética son las siguientes: A+BoR k1 A+BoS k2

(deseada) (no deseada)

0.3

(-rA) = k1 CA CB [mol/L min] 0.5

(-rA) = k2 CA CB

1,8

[mol/L min]

Donde k1 = k2 = 1 La Concentración inicial del reactivo es de 40 mol/m3.

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Calcule la fracción de impurezas en la corriente de salida y la concentración del componente deseado, para una conversión del 90% de A y B puro, previamente realizar un estudio cualitativo del problema. La concentración inicial de cada uno de los componentes es de 20[mol/L] y el flujo de cada una es de 100 L respectivamente (entran en corrientes individuales). Para: a)

Reactor flujo pistón;

b)

Reactor tanque agitado;

c)

Reactor Flujo pistón (para A) y reactor tanque agitado (para B), en el cual CB = 1 mol/L en cualquier punto.

Ej. Nº 2: Tenemos los reactivos A y B, los cuales reaccionan de acuerdo a un sistema serie paralelo, de acuerdo a la siguiente estequiometría: A + B o R (deseada) k1 R + B o S (no deseada) k2 Se quiere determinar la relación entre los coeficientes cinéticos, usando la adecuada Gráfica Levenspiel para Reacciones Múltiples, para cada uno de los siguientes experimentos usados: a) Se mezcla en un reactor discontinuo 1 mol A y ½ mol B. cuando el reactivo B se ha consumido completamente, permanece aún sin reaccionar 0,67 mol A lentamente b) En este caso se mezclan 1 mol de A con 1,25 mol de B. al completarse la reacción se encuentra presentes en la mezcla 0,5 moles R. c) Ídem b) pero cuando se han consumido 0,9 moles B, se encuentran presentes en la mezcla 0,3 de S. Ej. Nº 3: Para la reacción en paralelo en fase liquida: 0.3 A+BoR (deseada) (rR) = dCR/dT = 1 CA CB [mol / L min] k1 A+BoS k2

(no deseada)

(rS) = dCs/dT = 1 CA

0.5

CB

1.8

[mol / L min]

Encontrar el volumen del reactor requerido para una alimentación equimolar siendo FB0=100[mol/min], para: a) Un reactor flujo pistón con 90% de conversión b) Ídem con tanque agitado Los reactivos A y B puros tienen una concentración individual de 20 [mol/L]. Ej. Nº 4: Para las siguientes reacciones competitivas: A → R;

rR= 1

A → S;

rS= 2 CA

A → T;

rT= CA2

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Calcular el valor máximo que se puede obtener de Cs cuando la reacción se lleva a cabo en un reactor de mezcla perfecta en condiciones isotérmicas. La concentración inicial de A, CAO, es de 2 [mol/L]. Ej. Nº 5: Partiendo de corrientes separadas de A y B de una concentración dada (no está permitida la dilución con inertes) para la reacción serie-paralelo con la estequiometría y la velocidad mostradas: A + B → R; deseado r1 R + B → S; indeseado r2 Haga un esquema del mejor patrón de contacto para ambas operaciones continua y discontinua a)

r1 = k1 CA CB2 ; r2 = k2 CR CB

b)

r1 = k1 CA CB; r2 = k2 CR CB2

c)

r1 = k1 CA CB ; r2 = k2 CR2CB

d)

r1 = k1 CA2 CB ; r2 = k2 CR CB

Ej. Nº 6: Bajo condiciones apropiadas, A se descompone como sigue: ௞భ

௞మ

‫ܣ‬՜ܴ՜ܵ Para k1 = 0,1[min-1], y k2 = 0,1 [min-1] El compuesto R va a ser producido a partir de 1.000 [L/h] de una alimentación en la cual CA0 = 1 [mol/L], CR0 = CS0 = 0 a) ¿Qué tamaño de reactor de flujo pistón maximizará la concentración de R y cuál es esta concentración en la corriente de salida? b) ¿Qué tamaño de reactor de mezcla completa maximizará la concentración de R y cuál es esta concentración en la corriente de salida? Ej. Nº 7: Se alimenta A puro (CA0 = 100) a un reactor de mezcla completa donde se forman R y S y las siguientes concentraciones son registradas. Halle un esquema cinético que satisfaga estos datos. a) Datos: Experimento 1 2

CA 75 25

CR 15 45

Experimento 1 2

CA 50 25

CR 33 1/3 30

Experimento 1 2

CA 50 20

CR 40 40

CS 10 30

b) Datos: CS 16 2/3 45

c) Datos:

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CS 10 40

t, min 5 20

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RE EACTORES NO ISOTÉRMICOS Y ADIABÁTICOS (NIA) REACTORES NO ISOTÉRMICOS NI ADIABÁTICOS (NINA)

TP Nº5 OBJETIVOS

 Integrar los conceptos de los temas: Cinética Química – Reactores Ideales: balances de materia – ecuaciones de diseño y balances de energía.  Comprender que en casi todos los casos nos interesa obtener un producto de la manera más conveniente: tanto técnica como económicamente posible (mayor conversión a menor volumen y menor costo de diseño y operación).  Ensayar diversas estrategias de resolución.  Aplicar herramientas informáticas: Planillas de cálculo - The Reactor Lab (simulaciones simples) – SciLab y Polymath 5.1 (Resolución numérica de E.D.O.) HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS REQUERIDOS  Conceptos Básicos: Cinética Química de reacciones simples – Calores de reacción (determinación) – Constante de Equilibrio Termodinámico.  Matemáticas: Capacidad de formar sistemas de ecuaciones. Desarrollo de EDO (Ecuaciones Diferenciales Ordinarias). Análisis matemático. Desarrollo de gráficas (graficar en sistemas de ejes coordenados convenientes en función de la información a volcar y parámetros buscados).  Informática: Desarrollo de planillas de cálculo y gráficas que permitan analizar la reacción para planificar el mejor diseño de reactor. Simular en The Reactor Lab situaciones simples. Resolución de E.D.O. mediante SciLab y/o Polymath 5.1.  Características de los REACTORES IDEALES.  BALANCE DE MATERIA y ECUACIONES DE DISEÑO para cada tipo de Reactor Ideal. RECOMENDACIONES  Lea atentamente el problema y trate de entenderlo: Aclare que se le está solicitando.  Aclare el tipo de reactor en el que deberá trabajar: Dibújelo, y en el diagrama resultante anote la información suministrada por el problema (entradas, salidas, condiciones internas de cada reactor).  Escriba la estequiometria y desarrolle el BALANCE DE MOLES.  Escriba la LEY DE VELOCIDAD  Escriba la ECUACIÓN DE DISEÑO del reactor planteado en estudio.  Escriba y resuelva el BALANCE DE ENERGÍA del reactor planteado en estudio.  ESTRATEGIA: Debe coordinar y administrar todas las herramientas disponibles (información previa) de modo que converjan a responder lo solicitado. Debe realizar el croquis que represente la situación planteada en cada enunciado. NOTA: Recuerde que debe trabajar en un sistema de unidades homogéneo.

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EJERCITACIÓN Lea atentamente los enunciados, las cinéticas propuestas y los distintos logros de conversión y eficacia en la producción de cada reactor propuesto para el diseño. Ej. Nº 1: Diseño para una cinética irreversible La reacción en fase líquida de estequiometría conocida; se realiza en un reactor discontinuo sin cambio apreciable de la densidad de los reactivos y productos. La velocidad de reacción no depende de la concentración de los reactivos, pero esta velocidad varía linealmente con la temperatura. Ecuación estequiométrica

2A o B

Mol del reactivo Cinética Constante de la velocidad de reacción

MA = 130 Independiente de CA k = -10 + 0,033·T [mol/L.h]

Capacidad calorífica de la solución

(Cp)mezcla = 1 [cal/°C .g]

Densidad

U = UA = 1 [g/cm3] # cte.

'HR

-40.000 [cal/mol ]

Coeficiente global de transferencia calórica Volumen del reactor

U = 500 [Kcal/m2.°C.h] V = 500 [L]

Inicialmente, el reactor se carga con A puro a 58 [°C] y se opera adiabáticamente hasta 100 [°C] por ser esta la máxima temperatura admisible. Luego se continúa operando en forma isotérmica hasta obtener una conversión del 90 %. Determinar: a) El tiempo real necesario para culminar la reacción. b) El área del serpentín de intercambio necesaria para la etapa isotérmica de la reacción, si la temperatura del fluido refrigerante es constante e igual a 45 [°C]. c) Si el tiempo muerto es de 24 [min], ¿cuál será la producción de B en [Kg/d]. Suponer que no se trata de una reacción nuclear Ej. Nº 2: Diseño para una cinética irreversible Se carga un reactor de 3 [m3] con una solución de 1 Kg de reactantes por Kg de solución, compuesta mitad en peso de inertes y mitad en peso de reactivos, que está a 20 [°C]. La velocidad de transformación de reactivos en producto es prácticamente despreciable a temperaturas inferiores a 40 [°C], por ello los reactivos se calientan pasando vapor de agua por la camisa del reactor hasta calentar los reactivos a 40 [°C], a partir de allí comienza la reacción y se suspende la calefacción, produciéndose la reacción en adiabática hasta llegar a 90 [°C]; al llegar a esta última temperatura y para evitar temperaturas que darían lugar a reacciones laterales, se comienza a refrigerar haciendo pasar agua por la camisa. La conversión total requerida es de 70 % de sustancias reactivas en productos. Densidad constante

U = 0,9x103 [Kg/m3] # cte.

'HR = -300 [Kcal/Kg] Calor específico Cpv = 1.000 [Kcal/°C .m3] Superficie de intercambio de la camisa A = 9,2 [m2] Coeficiente global de transferencia con vapor U = 500 [Kcal/m2.°C.h] Calor de reacción

Coeficiente global de transferencia con agua U = 200 [Kcal/m2.°C.h] Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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Tiempo de llenado del reactor Tiempo de vaciado

15 [min] 10 [min]

Temperatura del vapor condensante Temperatura del agua en la camisa

t = 120 [°C] t = 20 [°C]

de

Experimentalmente, se ha encontrado que la reacción es de orden cero y se dispone además, de los siguientes valores de dicha velocidad para distintas temperaturas determinados en el laboratorio: T [°C]

40

-rA . x10

(-3)

3

[Kg/m .s]

0,9

50 2,6

)

60

70

80

90

95

100

105

5,6

11,7

23,5

47,1

70,1

94,2

140

Si el reactor se opera durante 24 horas por día, ¿cuál sería la producción diaria en toneladas de sustancia producto? Dibujar en la gráfica XA & T, y la línea de operación. Suponer una reacción no nuclear del tipo: ௞

‫ ܣ‬՜ ܲ‫݋ݐܿݑ݀݋ݎ‬ Ej. Nº 3: Estudio de una reacción reversible exotérmica Para la reacción elemental en fase acuosa: Ecuación estequiométrica

A'R Puede deducirla con la comprensión del enunciado

Cinética Energía Libre

'G°298 = -14.130 [J/mol]

Calor de reacción a la temperatura indicada

'H°298 = -75.300 [J/mol] CpA = CpR =cte.

Capacidades caloríficas

a) Calcular la conversión de equilibrio de A entre 0 [°C] y 100 [°C]. Presentar los resultados en una gráfica de la XA = f(T). Recuerde realizar la correspondiente planilla de cálculo luego de plantear el problema. b) ¿Qué restricciones habría que imponer a un reactor que operara isotérmicamente si se quisiera obtener conversiones fraccionales del 75% o mayores? c) Para esta reacción, se realizaron experimentos cinéticos en un reactor discontinuo, partiendo de una solución que sólo contenía el reactivo A. Así, al primer minuto se obtuvo una conversión del 58,1% a 65 [°C], y 60 % de conversión en 10 minutos a 25 [°C]. Calcular la expresión cinética, es decir hallar k1 y k2. Para esta reacción y en la gráfica XA = f(T), grafique las curvas cinéticas considerando que la concentración inicial de A es de 1 [mol/L], con líneas de velocidades (-rA) [mol/L.min] = 1 x10-3; 2 x10-3; 3 x10-3; 5x x10-3; 1 x10-2; 2 x10-2; 3 x10-2; 5 x10-2; 0,1; 0,2; 0,3: 0,5; 1; 2; 3, 5. d) Tomando de base una copia de la gráfica realizada, grafique la progresión óptima de temperaturas. e) Si requerimos convertir hasta un 80 % de una disolución acuosa de A con FA0 = 1.000 [mol/min] con CA0 = 4 [mol/L] en un reactor flujo pistón adiabático. Calcular el tamaño del reactor necesario; si la alimentación entra a 25 [°C]. f)

Considerando la progresión óptima de temperatura en un reactor flujo pistón, calcular el tiempo espacial y el volumen necesario para alcanzar la conversión del 80 % de una Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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alimentación de FA0 = 1.000 [mol/min] con CA0 = 4 [mol/L]; considerando que la temperatura máxima admisible es de 95 [°C]. Graficar la temperatura y el perfil de conversión a lo largo del reactor. g) Si en vez de utilizar un reactor flujo pistón, requerimos convertir hasta un 80 % de una disolución acuosa de A con FA0 = 1.000 [mol/min] con CA0 = 4 [mol/L] en un reactor tanque agitado. Calcular el tamaño del reactor necesario; luego calcular las necesidades de intercambio de calor si la alimentación entra a 25 [°C] y el producto se va a extraer a esta temperatura. h) ¿Cuál de todos los diseños ofrece el menor volumen? Analice su respuesta. A MODO DE REPASO Y CONSIDERACIÓN ESPECIAL: i)

Ahora diseñe el reactor flujo pistón con la recirculación óptima, para convertir hasta un 80 % de una disolución acuosa de A con FA0 = 1.000 [mol/min] con CA0 = 4 [mol/L] en un reactor flujo pistón adiabático. Calcular el tamaño del reactor necesario; si la alimentación entra a 25 [°C].

j)

Comparando la respuesta h) con la i), cuál es el sistema más eficiente.

Ej. Nº 4: Estudio de una reacción irreversible exotérmica El Ácido Acético se puede obtener mediante la hidrólisis del anhídrido acético, con la siguiente información de relevancia: Ecuación estequiométrica

1 Anhídrido Acético + 1 Agua o 2 Ácido Acético A + B o 2C

Pesos Moleculares

MA = 102,1 [kg/kmol] MB =18 [kg/kmol] Mc = 60,1 [kg/kmol]

Cinética Constante de la velocidad de reacción Capacidad calorífica másica a P=cte. Valore mezcla ácido acético – agua a 39 [°C]

(-rA) = k CA Log k= 7,551 – (2.495,109/T) [1/min]; T en [°K] Cpm = 0,84 [cal/°C .g]

Densidad del Ácido Acético (se puede hallar en tablas para distintas concentraciones y temperaturas

U40°C = 1,033 [kg/L] U50°C =1,027 [kg/L]

Calores de formación

'H0A = -155,15[kcal/mol ] 'H0B = - 68,3 [kcal/mol ] 'H0A = - 116,2 [kcal/mol ]

a) Se desea producir 1.000 [kg/h] de una solución de ácido acético al 40 % P/P, operado un reactor tanque continuo operado a 50 [°C]. Calcular: 1- El volumen del reactor necesario si la conversión exigida es del 95%. 2- La concentración inicial del anhídrido acético necesaria para lograr el porcentaje de ácido exigido en la salida. b) Si se pretende hacer trabajar en forma adiabática al reactor calculado en ítem anterior, a qué temperatura deberá alimentarse la solución de anhídrido acético

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c)

Si el reactor indicado en el punto a) requiere ser operado a 50 [°C], con una alimentación de anhídrido acético que se dispone a 30 [°C], determine y diseñe el área de una camisa como sistema de intercambio que permita tal operación. Dicha camisa trabaja con agua de refrigeración a 15 [°C], con el caudal suficiente para mantener constante dicha temperatura en toda la camisa. El coeficiente global de transferencia de calor es de 225 [kcal/m2.h.°C].

d)

Para llevar a cabo la misma reacción, se ha adquirido un reactor tanque agitado donado, el cual posee un serpentín externo de 1 [m2] de área de intercambio. Se desea mantener la misma producción descrita (1.000 [kg/h] de ácido acético), conversión, temperatura de reacción. La alimentación se dispone a 25 [°C] y la temperatura del agua de refrigeración se dispone a 15 [°C]. Cuando el reactor se ha puesto a prueba, se ajustó el caudal de agua de refrigeración para que la temperatura de operación se mantenga a 50 [°C], obteniéndose una temperatura de salida de fluido refrigerante de 25 [°C]. 1- De modo que deberá calcular el caudal del fluido refrigerante. 2- Verificar el valor del coeficiente de transferencia térmica del serpentín, expresando si éste último se encuentra dentro de los valores adecuados, ya que se presume que se ha depositado óxido en el interior del serpentín (si hay óxido, su valor será menor que el esperado – siendo el valor esperado el tabulado en el apéndice I del libro “Reactores Químicos” de la Universidad del Litoral).

e)

Se desea lograr una producción de 26 [Kg/h] de ácido acético cargando un reactor tanque discontinuo, con una solución de anhídrido acético de concentración CA0 = 0,1 [mol/L], obteniendo una conversión del 95 % por ciclo de trabajo o bachada, cuando se opera en forma isotérmica. Los tiempos de cargas y descargas del reactor son de 3 y 5 minutos respectivamente. Se utilizará un reactor de 460 [L] con un área de intercambio disponible de 2,5 [m2], estimándose un valor de 250 [kcal/m 2 · h · °C] para el coeficiente U. 1- Calcule y exprese la temperatura de trabajo del reactor. 2- Programar el caudal de agua de refrigeración si se utiliza una camisa de intercambio que se alimenta con agua a 15 [°C] distinta a la de la salida.

Ej. Nº 5: Diseño de un reactor flujo pistón adiabático Se desea producir difenilo por deshidrogenación pirolítica del benceno, cuya información cinética se dispone en la siguiente tabla: ݉‫ܣ݈݋‬ ‫݌‬஻ ‫݌‬஼ ൨ ൌ ݇ ቂ‫݌‬஺ଶ െ ቃ ൫‫݌‬௝ ǣ ܽ‫݉ݐ‬൯ ଷ ݄‫ ܽݎ݋‬ή ݉ ‫ܭ‬ k =1,2 . 105 e -30.190/RT [ molA/h cm3atm2] -4,576 . log K = (3.373/T)+39,27 – 14,32 log T + 3,24.10-3 T – 0,39.10-3 T2 ; con T en ° K y R = 1,987 [cal/mol.°K] ሺെ‫ݎ‬஺ ሻ ൤

2C6H6 o C12H10 + H2 2A o B + C

Calor de reacción 'H0298°K = 3.363,6 [cal/mol] compuesto a Los coeficientes para el cálculo de las Benceno 0,23 capacidades caloríficas Difenilo -0,20 son Hidrógeno 6,88

b.103 77,83 149,11 0,066

c.106 -27,16 -52,25 0,279

Para tal fin se dispone de un reactor adiabático tubular tipo multitubo; el mismo formado por 500 tubos de 1,5 [cm] de diámetro interno y 1[m] longitud, además de instalaciones como para poder alimentar a dicho reactor con 6.000 [mol/h] de benceno vaporizado a 1[atm] y 800[°C]. Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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La caída de presión a lo largo del reactor puede considerarse despreciable. a) Determinar la conversión y producción que se logrará en el citado reactor. b) Represente el camino seguido por la velocidad de reacción en función de la conversión dentro del reactor. Ej. Nº 6: Diseño de un reactor flujo pistón adiabático Se desea conducir la reacción catalítica1 en fase gaseosa: Nitrobenceno + 3H2 o Anilina + 2H2O A + 3B o C + 2D Dicha producción se llevará a cabo en un reactor flujo pistón adiabático. La alimentación a procesar tendrá una relación molar de [hidrógeno / nitrobenceno =5] a una temperatura de 220 [°C] y una presión de 2 [atm]. La conversión y producción exigidas son de 96% referida al nitrobenceno y 900 [mol/hora] de anilina, respectivamente. El calor de reacción es de – 113,16 [kcal/mol] considerándose constante, como también la capacidad térmica de la mezcla reaccionante [∑FjCpj] de 73.800 [cal/h · °C]. La temperatura máxima permisible se ha fijado en 450 [°C]. a) ¿Es posible cumplimentar las exigencias de conversión y producción con una sola etapa adiabática? Realizar los cálculos necesarios para demostrar su respuesta. b) En caso de no ser factible una única etapa adiabática, ¿cuántas etapas adiabáticas serán necesarias considerando que en cada una se logra una alimentación a la misma temperatura y se evoluciona hasta la temperatura límite? Intente calcular el calor transferido entre cada etapa adiabática, y si el fluido de intercambio es agua, qué caudal se requiere. Ej. Nº 7:

Diseño de un reactor flujo pistón con intercambio con sistema de fluido independiente con temperatura de pared constante

La descomposición del producto A tiene lugar según la reacción estequiométrica de 1° orden: AoB+C

(-rA) = k CA k = - (189,63/T) + 2 log T + 12,13 [1/s]

Se desea producir el producto B, operando un reactor tubular a presión atmosférica, siendo su alimentación de 100 [lbmol/h] de A puro. La máxima temperatura a la cual puede trabajar el material constructivo del reactor es de 580[°C], y a esa temperatura la producción A, B y C están en estado vapor. a) Determinar la conversión que se espera si el reactor tiene un volumen de 25 [L] y la temperatura de entrada es de 580 [°C]. Sabemos que el calor de reacción es de 22.660 [cal/mol] , 6 Fj Cpj = 18.000 [kcal/h °C] y el numero adimensional de Stanton es [S = 0,0101]; los cuales se mantienen constantes en el intervalo de trabajo del reactor. El diámetro interno

1 No se preocupe por el tipo ni modelo de la reacción ya que no requerirá la expresión cinética correspondiente, el tema en particular será visto en unidades próximas.

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del reactor es de 10 [cm] y su temperatura de pared de 580[°C], la cual permanece constante mediante la circulación de un fluido calefactor. b) Determinar el volumen necesario para obtener una conversión del 90 %. Plantee el problema en papel, pero realice los cálculos con planilla Excel. c) Determinar y representar en el gráfico conversión & Longitud del reactor, analizando además el efecto para tubos con dimensión de 5 cm de diámetro. Represente la longitud de tubo necesaria en función de la conversión para los tubos de 5 cm. Ej. Nº 8: Caso de reactores adiabáticos conectados en serie (N etapas adiabáticas) Se dispone de una cascada adiabática de tres reactores tanque agitado en serie con un volumen de 100 [L] cada uno. En dicha cascada, se pretende hidrolizar sulfito de sodio, conforme a la siguiente cinética: (-rA) = k · CA · CB [ molA/L · s] SO3Na2 + H2O o Ptos k = 6,853 e -18.280/RT A + B o Ptos. Calor de reacción 'H0 = -137 [kcal/mol], cte en el rango de trabajo La batería se alimenta con dos corrientes, una de 50 [L/min] de A con una concentración de 0,272 [mol A/L] y otra de 83,33 [L/min] de B con una concentración de 0,326 [mol B/L] La densidad y capacidades caloríficas de ambas soluciones, como asimismo la de los productos de la reacción, pueden considerarse iguales a las del agua. Alimentando estas soluciones a 38,8 [°C] se obtuvo una temperatura de 50 [°C] en el último reactor.¿Es correcto este resultado? Ej. Nº 9: Selección de la curva de operación óptima Se desea calcular la cantidad de catalizador necesario para producir 100 [T/d] de ácido sulfúrico de 98 % en peso, utilizando un reactor tubular que trabaja de acuerdo al perfil ideal de temperatura y a presión atmosférica. La temperatura máxima admisible es de 600 [°C] y la alimentación está compuesta por 7,9 % de SO2; 79 % de N2 y 13,1 % de O2. La reacción es catalizada por pentóxido de vanadio, por ello su expresión cinética tiene la siguiente forma algorítmica: ܴ஺ ൌ

ଵହହ଴଴ ቀି ାଵଶǡ଴଻ቁ ‫݌‬஺ ‫݌‬஻ ் ݁ ଵ ‫݌‬஺ଶ

െ

ଵ ଶ ଶ଺଼଴଴ ‫݌‬ ‫݌‬ ቀି ାଶଶǡ଻ହቁ ஼ ஻ ் ݁ ଵ ‫݌‬஺ଶ

൤

݉‫ܣ݈݋‬ ൨ ݃௖௔௧௔௟௜௭௔ௗ௢௥ ή ‫ݏ‬

‫ݎ‬஺ ൌ Ͳǡ͹Ͷ ή ܴ஺ ൌ ൌ Ͳǡ͹Ͷ ή

ଵହହ଴଴ ቀି ାଵଶǡ଴଻ቁ ሾͺሺͳ ் ቐ݁

െ

ଵ ܺሻሿଶ ሾͳ͵ െ Ͷܺሿ ଷൗ ଶ

ሾͳͲͲ െ Ͷܺሿ

ଵ

െ

ଶ଺଼଴଴ ቀି ାଶଶǡ଻ହቁ ் ݁

ͺܺ ή ሺͳ͵ െ Ͷܺሻଶ ଵ

ሾͺሺͳ െ ܺሻሿଶ ή ሾͳͲͲ െ Ͷܺሿ

La conversión requerida de SO2 es de 97,6 %.

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REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS FLUIDO – SÓLIDO REACCIONES HETEROGÉNEAS NO CATALÍTICAS FLUIDO - FLUIDO

TP Nº 6 OBJETIVOS

 Formar la capacidad de crear estrategias de resolución de problemas.  Ejercitar los conceptos y metodologías de resolución de Álgebra y Análisis Matemático como herramientas de resolución de situaciones problemáticas.  Comprender que en casi todos los casos nos interesa obtener un producto de la manera más conveniente: tanto técnica como económicamente posible (mayor conversión a menor volumen y menor costo de diseño y operación).  Comprender los mecanismos de las reacciones heterogéneas. HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS REQUERIDOS  Conceptos Básicos: Cinética Química – Modelo de la doble película Ley de Fick – Ley de Henry etc.  Matemáticas: Capacidad de formar sistemas de ecuaciones. Desarrollo de EDO (Ecuaciones Diferenciales Ordinarias). Análisis matemático. Desarrollo de gráficas (graficar en sistemas de ejes coordenados convenientes en función de la información a volcar y parámetros buscados).  Informática: Desarrollo de planillas de cálculo y gráficas que permitan analizar la reacción para planificar el mejor diseño de reactor. Simular en The Reactor Lab situaciones simples. Resolución de E.D.O. mediante SciLab y/o Polymath 5.1.  Características de los REACTORES IDEALES para REACCIONES HETEROGÉNEAS.  BALANCE DE MATERIA y Ecuaciones de Diseño para cada tipo de Reactor Ideal (Esquema de contacto) RECOMENDACIONES  Lea atentamente el problema y trate de entenderlo: Aclare que se le está solicitando.  Aclare el tipo de reactor en el que deberá trabajar: Dibújelo, y en el diagrama resultante anote la información suministrada por el problema (entradas, salidas, condiciones internas de cada reactor).  Escriba la estequiometria y desarrolle el BALANCE DE MASA.  Analice y Escriba la ETAPA CONTROLANTE  Escriba la ECUACIÓN DE DISEÑO del reactor planteado en estudio.  ESTRATEGIA: Debe coordinar y administrar todas las herramientas disponibles (información previa) de modo que converjan a responder lo solicitado. Debe realizar el croquis que represente la situación planteada en cada enunciado.  NOTA: Recuerde que debe trabajar en un sistema de unidades homogéneo.

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PROBLEMAS SOBRE REACCIONES HETEROGÉNEAS FLUIDO - SÓLIDO Ej. Nº 1:

Conversión de una mezcla de tamaños en un reactor flujo pistón y lecho fluidizado (RTA)

En un reactor flujo pistón, tenemos una mezcla de partículas de diferente tamaño, sobre el que actúa un reactante gaseoso, el cual se mantiene constante. La alimentación de las partículas está constituida por: Fi [μm] /F Ra adio 10 % 20 % 40 % 25 % 5%

10 P 50 P 100 P 200 P 300 P

W 1’ 5’ 10’ 20’ 30’

Para las condiciones de operación ensayadas, el tiempo necesario para la conversión completa de los 5 tamaños de partículas de alimentación sólida sin respectivamente (1’, 5’, 10’, 20’, 30’) indicando el laboratorio que la reacción se asemeja al modelo de núcleo sin reaccionar. Importante: REALICE EL CROQUIS DEL ESCENARIO PROPUESTO EN EL PROBLEMA 1) Calcular la conversión de los sólidos para un tiempo de residencia en el reactor de: a) 6 min b) 10 min c) 15 min 2) Cuál deberá ser el tiempo de residencia en el reactor para obtener una conversión del 95%. 3) Idem al punto 1, pero en un reactor de lecho fluidizado. Importante: REALICE EL CROQUIS DEL ESCENARIO PROPUESTO EN EL PROBLEMA 4) Idem al punto 2, pero para un reactor de lecho fluidizado. Importante: REALICE EL CROQUIS DEL ESCENARIO PROPUESTO EN EL PROBLEMA Ej. Nº 2: Conversión de una mezcla de tamaños en dos situaciones diferentes Una alimentación constituida por: Fi [μm] /F Ra adio 30 % 40 % 30 %

50 P 100 P 200 P

a) Se va alimentar continuamente sobre una parrilla móvil formando una capa delgada que se desplaza en corriente cruzada con un reactivo gaseoso. Para las condiciones de operación que se pretende utilizar, el tiempo necesario para la conversión completa de los tres tamaños de partícula es de 5, 10 y 20 min. Enc entrar la conversión de los sólidos en la parrilla para un tiempo de residencia en el reactor de 8 min. Importante: REALICE EL CROQUIS DEL ESCENARIO PROPUESTO EN EL PROBLEMA b) Se harán reaccionar en un reactor de lecho fluidizado con flujo en régimen estacionario, siendo el gas fluidizante el reactante en fase gaseosa. Para las condiciones de operación

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proyectadas, el tiempo necesario para la conversión completa es de 5, 10 y 20 [min] respectivamente para los tres tamaños de partículas de alimentación. Debido a que existe un arrastre de finos por el gas fluidizante, fue determinado el coeficiente de velocidad de elutriación en las condiciones de operación y para esa altura de lecho es: F(50 P)= 0,2[1/min] F(100 P) = 0,05[1/min] F(200 P)= 0,0125[1/min] Calcule la conversión de los sólidos en el reactor para el caudal de alimentación de 1 [kgsólido/min], si el lecho contiene 10 [kg] de sólidos. La etapa controlante es la reacción química. La alimentación es: F0= 1.000 [g/min]. El contenido de sólidos en el lecho: W= 10.000 [g]. Importante: REALICE EL CROQUIS DEL ESCENARIO PROPUESTO EN EL PROBLEMA Nº 3: Conversión de una alimentación un solo tamaño en un reactor tanque agitado Yagi et. Al., tostaron pirrotita (sulfuro de hierro) en partículas dispersas en fibras de asbesto y encontraron que el tiempo necesario para la conversión completa se relacionaba con el tamaño de las partículas del siguiente modo: W D R1,5 Los sólidos se mantuvieron como sólidos duros de tamaño constante durante la reacción. Se plantea utilizar un reactor de lecho fluidizado para convertir el mineral de pirrotita en el óxido correspondiente. La alimentación es de tamaño uniforme, W = 20 [min], con un tiempo promedio de residencia en el reactor t= 60 min. Calcular la fracción del mineral de sulfuro original que quedará sin convertir. Importante: REALICE EL CROQUIS DEL ESCENARIO PROPUESTO EN EL PROBLEMA Nº 4: Conversión de una alimentación con mezcla de tamaños en un reactor tanque agitado Una alimentación formada por: Fi [μm] /F radio 30 % 40 % 30 %

50 P 100 P 200 P

Va a reaccionar en un reactor lecho fluidizado con flujo en estado estacionario construido con un tubo de 2 [m] de longitud y 20 [cm] de diámetro interior. El gas fluidizante es el reactivo en fase gaseosa y para condiciones de operación proyectadas, el tiempo necesario para la conversión completa es de 5, 10 y 20 minutos para los tres tamaños de partículas de la alimentación. Encontrar la conversión de los sólidos en el reactor para un caudal de alimentación de 1 [Kg sólidos/min] si el lecho contiene 10 [Kg] de sólidos. Importante: REALICE EL CROQUIS DEL ESCENARIO PROPUESTO EN EL PROBLEMA

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Nº 5: Cálculo del tamaño de un reactor lecho fluidizado En un ambiente gaseoso, las partículas de B se convierten en un producto sólido de la siguiente forma: A(gas) + B (sólido) → R (gas) + S (sólido) La reacción procede de acuerdo con el modelo del núcleo que se encoge, con control por la reacción química y con tiempo para la conversión completa de las partículas de 1 hora. Se va a diseñar un lecho fluidizado para tratar 1 [T/h] de sólidos con una conversión del 90% y utilizando una velocidad de alimentación estequiométrica de A, alimentando con concentración C A0. Calcular el peso de los sólidos en el reactor su se supone que el gas está en tanque agitado. Tener presente que la concentración del gas en el reactor no el CA0. Importante: REALICE EL CROQUIS DEL ESCENARIO PROPUESTO EN EL PROBLEMA. PROBLEMAS SOBRE REACCIONES HETEROGÉNEAS FLUIDO - FLUIDO Ej. Nº 6: Cálculo de la velocidad de una reacción G/L Se burbujea aire que contiene A gaseoso a través de un tanque que contiene B acuoso. La reacción ocurre de la siguiente forma: A(g→l) + 2 B (l) → R (l)

(-rA) = k.CA.CB2 k = 106 [m6/mol2.h] (10 exp6)

Para el sistema KAg . a = 0,01 [mol/h.m3.Pa] KAl . a = 0,01 [1/h] -6

2

D Al = D Bl 10 [m /h] fl = 0,98

5

HA = 10 [Pa. m3/mol], solubilidad muy baja a = 20 [m2/m3] Para un punto en el reactor – absorbedor donde: pA = 5 x103 [Pa] y CB =100 [mol/m3] a) Localizar la resistencia a la reacción. ¿Qué porcentaje está en la película gaseosa, en la película líquida y en el cuerpo principal de líquido? b) Localizar la zona de la reacción. c) Determinar el comportamiento en la película líquida, si se trata de una reacción de pseudo primer orden, instantánea, transporte físico, etc. d) Calcular la velocidad de reacción en la unidades [mol/m3.h] Ej. Nº 7: Diseño de torres para distintas casos. a) TORRE DE ABSORCIÓN – SIN REACCIÓN: La concentración de una impureza indeseable en el aire a 1 [bar] = 105 [Pa] debe reducirse de 0,1 % (o sea 100 Ps) a 0,02% (o sea 20 Pa) por absorción de agua pura. Encontrar la altura requerida de una torre que funcione en contracorriente. Los datos disponibles están en unidades SI. Para el empaque KAg . a = 0,32 [mol/h.m3.Pa] Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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Solubilidad de A en el agua Caudales por metro cuadrado de área transversal de torre son: Densidad molar del líquido en todas las condiciones es

de

KAl . a = 0,01 [1/h] HA = pAi / CAi = 12,5 [Pa. m3/mol], 5 2 Fg/Aes = 1x10 [mol/h.m ] 5

2

Fl/Aes = 7x10 [mol/h.m ] CT = 56.000 [mol/m3]

Grafique la situación. b) TORRE PARA ALTA CONCENTRACIÓN DE REACTIVO LÍQUIDO: Si al agua se le agrega una concentración alta de reactivo B; CBl = 800 [mol/m3], aproximadamente 0,8 N; éste reactivo reacciona con A en forma extremadamente rápida: A(g→l) + 2 B (l) → productos (l); k = ∞ Suponer que las difusividades de A y B en el agua son las mismas: KAl = KBl = Kl

.

Grafique el escenario propuesto según la información suministrada y consignas. Resuelva

c) TORRES PARA BAJA CONCENTRACIÓN DE REACTIVO LÍQUIDO; CASO A: Repetir la situación b) utilizando una alimentación con CBl = 32 [mol/m3], en lugar de 800 [mol/m3]. d) TORRES PARA CONCENTRACIONES INTERMEDIAS DE REACTIVO LÍQUIDO: Ahora utilice una alimentación con CB = 128 [mol/m3]. e) Repita el problema b) con el método general: En dicha resolución debió identificar de entre los 8 casos conocidos, cuál es el caso correspondiente a la situación planteada para seleccionar la velocidad de la reacción correspondiente; alternativamente, podría haber utilizado la expresión general de velocidad, que es lo sugerido ahora. f) ANALICE SU TRABAJO Y RESULTADOS OBTENIDOS, emita conclusiones vinculando los conceptos teóricos aplicados. Ej. Nº 8: Reacción de una carga de líquido. Se desea disminuir la concentración de B en un líquido (Vl = 1,62 [m3]; CU = 55.555,6 [mol/m3] de un reactor de tanque agitado haciendo burbujear gas (Fg= 9.000 [mol/h]; S= 105 [Pa]) que contiene A (pAin = 1.000 [Pa]) a través del mismo. A y B reaccionan de la siguiente forma: A(g→l) + 2 B (l) → productos (l); -rA””= k .CA.CB a) ¿Cuánto tiempo debe hacerse burbujear el gas para disminuir la concentración de CB0 = 555,6 [mol/m3] a CBf = 55,6 [mol/m3]? b) ¿Qué porcentaje de A que entra pasa a través del reactor y sale sin reaccionar?

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REACCIONES CATALIZADAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS CATALIZADORES

TP Nº 7 OBJETIVOS DE LA CLASE

 Comprender y Fijar los conceptos de cinética de las reacciones químicas.  Comprobar distintas maneras correctas de resolución de un problema (analítico o gráfico).  Aplicar herramientas informáticas: Desarrollo en Excel. HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS REQUERIDOS  Conceptos: Físico – Química. Química General.  Matemáticas: Álgebra (ecuaciones). Análisis Matemático (reconocimiento de funciones y sus respectivas gráficas – raíces – derivación e integración).  Capacidad de formar sistemas de ecuaciones. RECOMENDACIONES: estrategia  Lea atentamente el problema y trate de entenderlo: Aclare que se le está solicitando.  Anote la información suministrada por el problema.  Anote la información que usted conoce de teoría.  Aclare el tipo de reactor en el que deberá trabajar: identificar si se trata de un proceso por lotes o de flujo continuo.  Escriba la Estrategia de Resolución paso a paso. Debe coordinar y administrar todas las herramientas disponibles (información previa) de modo que converjan a responder lo solicitado. NOTA: Recuerde que debe trabajar en un sistema de unidades homogéneo.

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EJERCITACIÓN A RESOLVER Ej. Nº 1: Cinética heterogénea – propiedades físicas de catalizadores Para la adsorción de argón sobre un catalizador de hierro – alúmina a -183 [°C], Emmett y Brunauer obtuvieron los siguientes datos experimentales: p [mm Hg] 21 45 90 175 245 330 405 485 540

V (0 °C) [cc/g] 70 93 120 135 155 175 200 220 245

a) Con estos datos dibújese la isoterma de adsorción e identifique al tipo de isoterma general al que se asemeja la curva. b) Con los datos disponibles, calcule las constantes Vm, C y n de la ecuación ampliada BET. A -183 °C, la presión de saturación es ps = 1.026 [mm Hg]. El valor de n representa el número de capas absorbidas, todos los datos solicitados se obtienen de la ecuación BET. Ej. Nº 2: Cinética heterogénea – propiedades físicas de catalizadores En un experimento para determinar el número de poros, porosidad de la partícula y radio promedio de poros; se obtuvieron los siguientes datos experimentales en una muestra de sílice activada con granulometría de 4 a 12 mallas de tamaño. Los datos relevantes del experimento son: -

Masa de catalizador colocada en la cámara = 101,5 [g]

-

Volumen de helio desplazado por la muestra = 45,1 [cm3]

-

Volumen de mercurio desplazado por la muestra = 82,7 [cm3]

-

Área superficial del catalizador = 560 [m2/g]

A partir de estos datos de adsorción y de la ecuación de BET, calcular las propiedades requeridas para el catalizador. Ej. Nº 3: Se prepara un catalizador de hidrogenación empapando partículas de alúmina (de 100 a 150 mallas) con una solución acuosa de NiNO3. Después de un proceso de secado y reducción, las partículas contienen aproximadamente 7% de NiO en peso. Este catalizador se compacta en gránulos cilíndricos grandes para efectuar estudios de velocidad. Las medidas globales de un gránulo son: -

Masa = 3,15 g

-

Diámetro = 1"

-

Espesor = ¼" Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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Volumen = 3,22[cm3]

Las partículas de Al2O3 contienen microporos y el proceso de granulación introduce macroporos rodeando a las partículas. En base a los métodos experimentales ya descritos, se determina que 3

3

el volumen de macroporos del gránulo es de 0,645 [cm ] y el de microporos 0,40 [cm /g] de partículas. Calcular: a) La densidad del gránulo b) El volumen de macroporos en centímetros cúbicos por grano c) La fracción de macroporos en el gránulo d) La fracción de microporos en el gránulo e) La fracción de sólidos f) La densidad de las partículas g) La densidad de la fase sólida. h) La fracción de espacios vacíos de las partículas Ej. Nº 4: Calcule la superficie específica de un catalizador formado por partículas esféricas no porosas de un radio equivalente a 2 [Pm] con densidad de 2 [g/cm3]. Ej. Nº 5: Calcule el diámetro que deberán tener partículas esféricas de 2 [g/cm3] de densidad, para tener una disponibilidad de 100 [m2/g] de superficie específica. Ej. Nº 6: Se ha realizado la adsorción de nitrógeno en 0,606 [g] de un gel de SiO2 a -195 °C a presiones relativas de 0,1 a 0,4 [atm] conociéndose los volúmenes adsorbidos normales en función de la presión se graficó la función lineal de BET resultando: E = 1 /(Vm.C) = 0,1 x 10-3 [1/cm3] D = (c-1)/(Vm.C) = 13 x 10-3 [g/cm3] UN2 (– 195°C) = 0,808 [g/cm3] Determine la superficie específica del catalizador .

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TP Nº 8

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DISEÑO DE REACTORES PA ARA REACCIONES CATALIZADAS

OBJETIVOS DE LA CLASE  Formar la capacidad de crear estrategias de resolución de problemas.  Ejercitar los conceptos y metodologías de resolución de Álgebra y Análisis Matemático como herramientas de resolución de situaciones problemáticas.  Comprender que en casi todos los casos nos interesa obtener un producto de la manera más conveniente: tanto técnica como económicamente posible (mayor conversión a menor volumen y menor costo de diseño y operación).  Comprender los mecanismos de las reacciones heterogéneas. HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS REQUERIDOS  Conceptos Básicos: Cinética Química – Modelos Heterogéneos.  Matemáticas.  Informática.  Características de los reactores ideales.  Balance de materia y Ecuaciones de Diseño para cada tipo de Reactor Ideal. RECOMENDACIONES  Lea atentamente el problema y trate de entenderlo: Aclare que se le está solicitando.  Aclare el tipo de reactor en el que deberá trabajar: Dibújelo, y en el diagrama resultante anote la información suministrada por el problema (entradas, salidas, condiciones internas de cada reactor).  Escriba la estequiometria y desarrolle el BALANCE DE MOLES.  Escriba la LEY DE VELOCIDAD  Escriba la ECUACIÓN DE DISEÑO del reactor planteado en estudio.  ESTRATEGIA: Debe coordinar y administrar todas las herramientas disponibles (información previa) de modo que converjan a responder lo solicitado. Debe realizar el croquis que represente la situación planteada en cada enunciado. NOTA: Recuerde que debe trabajar en un sistema de unidades homogéneo.

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EJERCITACIÓN

Ej. Nº 1: Diseño para una reacción catalítica simple En presencia de un catalizador homogéneo en una concentración dad, el reactivo acuoso A se convierte en producto a las siguientes velocidades: CA [mol/L] (--rA) [mol/L.h]

1 0,06

2 0,1

4 0,25

6 1,0

7 2.0

9 1,0

12 0,5

Se está planeando llevar a cabo esta reacción en un reactor intermitente con la misma concentración de catalizador utilizada para obtener los datos anteriores. Encontrar el tiempo que se necesita para disminuir la concentración de A desde C A0 = 10 [mol/L] hasta CAf = 2 [mol/L] Ej. Nº 2: Diseño para una reacción catalítica heterogénea Dada una reacción catalizada por un catalizador sólido R, tiene la siguiente información cinética: (-rA)c = Rc = 2.k1. (1-xA)/(1+K K.xA) [mol/hgcat] 4

2A o B + C

log k = [(1,92 – (1,3.10 /(2,3.R.T))]/2,13 [mol/hgcat] K= - 9,395 + [36.000/(2,3.R.T)] Donde R= 1,987 [cal/mol °K ] y la temperatura T [°K ].

Se desea producir 100 [kg/h] de B utilizando un reactor flujo pistón operando isotérmicamente a 227 [°C] y 2 [atm] siendo la conversión de A 45%. La variación de presión a través del reactor puede considerarse despreciable. Las partículas de catalizador conforman un lecho de densidad catalítica de 0,8 [g/cm³]. Además se sabe que MB = 168,99 [kg/kmol] Calcular: a) El volumen del reactor necesario para esa producción. b) Para un reactor de 30 tubos de 7,5 [cm] de diámetro interno conectados en paralelo, ¿cuál será la longitud de cada tubo? Ej. Nº 3: Diseño para una reacción catalítica heterogénea Dado un sistema cuya información cinética es: 2

(-RA)= k1/k2 [(pA /k2) – (pBpC/K)] [mol/h gcat] 5 2A o B + C k1 = 10 . e (-30.000/RT) [mol/h atm² gcat] -5

k2= 1,0005 + 10 T (adimensional) Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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log K = -(700/T) – 8,6 + S log T + …… Se desea producir el compuesto C en un reactor flujo pistón trabajando en forma adiabática a 1 [atm] y 785 [°C]. El 'P a lo largo del reactor es despreciable y su volumen es de 90[L]. El proceso se desarrolla en fase gaseosa y su cinética responde a: ³

-2

La densidad del lecho catalítico vale 0,97[gcat/cm ] y ('H/6FjCpj) # 2,31 x 10 [h°K/mol] en

el intervalo desarrollado.

Determinar la conversión que se lograra en estas condiciones y el valor de la producción ³

para una alimentación de 500 [m /h] de A puro. Ej. Nº 4: En un reactor experimental de tanque agitado con 10 g de partículas esféricas de catalizador de 1,2 mm y una alimentación de 4 cm3/s de A puro a 1 atm y 336 °C se obtiene una conversión de 80% para la reacción de 1er orden: A → R ; ΔHRx=0. Se requiere diseñar un reactor de tamaño comercial para tratar grandes cantidades de alimentación con una conversión de 80% a la temperatura y presión anteriores. Se debe elegir entre un lecho fluidizado de partículas de 1 mm (suponer tanque agitado para gas) y un lecho empacado de partículas de 1,5 cm. ¿Qué reactor debe elegirse para minimizar la cantidad de catalizador necesario? ¿Qué tan ventajosa será la elección?. Además disponemos de la siguiente información para las partículas de catalizador: ρs= 2.000 Kg/m3; De = 10exp-6 m3/mcat.s Ej. Nº 5: En una solución acuosa, y en contacto con el catalizador adecuado, el reactivo A se convierte en el producto R por medio de la reacción elemental: A → 2R. Encontrar la cantidad de catalizador necesaria en un reactor de lecho empacado para una conversión de 90% de 10 exp4 moles de A/h de una alimentación que tiene CA0 = 10 exp3 mol/m3. Para esta reacción se tiene: k””= 2 m3/m3 lecho.s. Con los siguientes datos adicionales: Diámetro de las pastillas de catalizador poroso = 6 mm Coeficiente de difusión efectiva de A en la pastilla = 4x10 exp-8 m3/mcat .s Fracción vacía de lecho empacado = 0,5 Densidad global del lecho empacado = 2.000 Kg/m3 de lecho. Ej. Nº 6: Al presente se lleva a cabo la reacción catalítica de primer orden en el régimen de fuerte resistencia a la difusión en los poros en un reactor empacado lleno de partículas impregnadas con platino de 6 mm de tamaño uniforme. Un fabricante de catalizador sugiere que se sustituya este catalizador por pastillas de 6 mm que consisten en granos fusionados de 0,06 mm cada uno. La fabricación vacía entre los granos en la pastilla sería más o menos de 25%. Si estas nuevas pastillas estuvieran en el régimen libre de resistencia a la difusión en los vacíos grandes (entre los granos), pero si los granos estuvieran aún en el régimen de fuerte resistencia a la difusión, ¿Cómo afectaría este cambio al peso del catalizador necesario y al volumen del reactor?

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SIMULACIÓN DE REACTORES.. 2

TP Nº 9 OBJETIVOS DE LA CLASE

Formar la capacidad de resolver diseños de reactores que pueden calcularse mediante el simulador de la Carrera. Aportar todos los conocimientos del programa, en el desarrollo de la práctica EJERCITACIÓN Ejercicio Nº1:

Simulación de un proceso de reacción empleando reacciones de conversión y equilibrio.

Se desea comparar el flujo molar de estireno obtenido a partir de la descomposición del etilbenceno. Considere la siguiente reacción en fase gaseosa cuya estequiometría y constante de equilibrio se indican a continuación: ‫ ݋ܾ݈݊݁ܿ݊݁݅ݐܧ‬՞ ‫ ݋݊݁ݎ݅ݐݏܧ‬൅ ‫ܪ‬ଶ

‫ܭ‬௉ ൌ

Donde:

௉೐ೞ೟೔ೝ೐೙೚ ‫כ‬௉ಹమ ௉೐೟೔೗್೐೙೎೐೙೚

ሾሿ ൌ  A = -5.892

஻

; Žሺ‫ܭ‬௉ ሻ ൌ ‫ ܣ‬൅ ் ൅ ‫ܥ‬ሾŽሺܶሻሿ ൅ ‫ܶܦ‬

ሾ ୔ ሿ ൌ ƒ

B = -13417.38

C = 3,1132

D = -1,4971 x 10-3

Elija el paquete termodinámico adecuado y sustente su elección. Ambos reactores se alimentan con una corriente de Etil Benceno pura. Esspeciificaciion nes Temperatura Presión Flujo molar

Co orrien nte de e Aliimentaciión 200 °C 101.3 kPa 10 kmol/h

Las corrientes de los productos salen a 300 °C. En el reactor de conversión, la conversión es del 50%. Suponga que no hay caída de presión en los reactores. Simule la reacción anterior en un reactor de conversión y en un reactor de equilibrio en Hysys y analice los resultados. Responda las siguientes preguntas:

2

a)

¿Con cuál reactor se obtiene mayor flujo de producto? Analice

b)

Estos reactores ¿requieren una corriente de calor? ¿ Necesita enfriamiento o calentamiento?

c)

¿Cuál reactor es el mejor?

d)

¿Qué sucede si la alimentación tiene una composición de 90% en peso de etil benceno y 10% de H2?

DISEÑO DE LA EJERCITACIÓN: Ing. Sergio FLORES. Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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Ejercicio Nº 2: Simulación de un proceso de reacción empleando reacciones cinéticas y catalíticas heterogéneas. Considere la siguiente reacción en fase gaseosa: ‡…‡‘ ൅ ”‘’‹Ž‡‘'—‡‘ ଵǤହ

െ”୆ୣ୬ୡୣ୬୭ ൌ

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Con: ୩୫୭୪ ୫య

ሾ୧ ሿ ൌ

A1 = 5,6 x 107

A2 =3,16 x 107

A3 = 5,6 x 103

Ea2 = 2,3 x 105 [KJ/Kmol]

Ea3 = 2,0 x 104 [KJ/Kmol]

Ea1 = 1,0 x 105 [KJ/Kmol]

ሾ”୧ ሿ ൌ

୩୫୭୪ ୫య ୱ

ሾሿ ൌ 

Se quiere evaluar el desempeño de un reactor CSTR en el cual se lleva a cabo la reacción anterior. Se desea para dos casos: a) Si se introduce esta reacción como reacción cinética (sólo se toma el numerador) b) Si se introduce en Hysys como una reacción heterogénea catalítica. Se alimentan al CSTR 10 [Kmol/h] de reactivos a 100°C y 101.3 kPa. La alimentación es equimolar en benceno y propileno. La corriente de salida, en ambos casos e n estudio, tiene una temperatura de 600 °C. No hay caída de presión en el reactor. El volumen del reactor es de 5 m3. Simule en Hysys los dos casos y analice los resultados escribiendo los criterios o aspectos analizados. Ejercicio Nº3: Simulación de un proceso de reacción en un PFR. Considere la siguiente reacción en fase gaseosa: ‘Ž—‡‘ ൅ ଶ '‡…‡‘ ൅ ସ La alimentación, compuesta por una fracción molar de 0,75 de hidrógeno y el resto tolueno, tiene un flujo de 3600 kg/h e ingresa al reactor con una presión de 101,3 [kPa] ଴Ǥହ ” ൌ ୘୭୪୳ୣ୬୭ Ǥ ୌ మ

Con: ୩୫୭୪ ୫య

ሾܶሿ ൌ ι‫ܭ‬

ሾ‫ܥ‬௜ ሿ ൌ

ሾ‫ݎ‬௜ ሿ ൌ

A1 = 6,3 x 1010

Ea1 = 52000 [Kcal/Kmol],

୩୫୭୪ ୫య ୱ

Válido para un rango de temperatura de 400°C a 950°C. Simule la producción de benceno en un PFR para ambas temperaturas. Datos adicionales del reactor: 1. Tabulador “Design” opción “Parameters”: x Caída de presión calculada por medio de la ecuación de Ergun. x Corriente de energía tipo enfriamiento calculada con formula. 2. Tabulador “Design” Opción “Heat Transfer” x Información para el lado del fluido de transferencia de calor: Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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Coeficiente de transferencia lado externo de tubos: 15.2925 kJ/(h.m²°C) Flujo molar de fluido de transferencia: 1546.62 kmol/h Capacidad calorífica del fluido de transferencia: 75 kJ/kmol.°C Temperatura de entrada del fluido de transferencia: 395 °C

x Información para el lado del fluido de proceso (interior de los tubos): - Calculo estándar para el coeficiente de transferencia de calor en el lado interno de tubos. - Exponentes de la correlación de transferencia de calor: A=1.6,B=0.51,C=0.33 3. Tabulador “Rating” opción “Sizing”: -

Volumen total del reactor 40 m3 Diámetro de tubos 15 cm Número de tubos 250 Espesor de la pared de tubos 5 mm Porosidad del lecho de catalizador 0.5

4. Tabulador “Reactions” opción “Overall”: x Grupo de reacción: RXN x Número de segmentos 20 x Fracción mínima de paso 1e-6 x Catalizador: -

Diámetros de partícula: 1.5 cm Esfericidad 1 Densidad del sólido 2500 kg/m3 Capacidad calorífica 250 kJ/kg°C

Analice los resultados, escribiendo los criterios o aspectos analizados.

Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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TP Nº 10

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FLUJO NO IDEAL

Ej. Nº 1: Cálculo de la RTD a partir de datos experimentales Las lecturas de concentración de la tabla presentada, representan la respuesta continua a un impulso de entrada en un recipiente cerrado que va a utilizarse como reactor químico. Calcular el tiempo promedio de residencia t del fluido en el recipiente, poner los datos en forma de tabla y graficar la distribución de edades a la salida E. Tiempo t [min]

Concentración de rastreador a la salida, Cimpulso [g//L]]

0 5 10 15 20 25 30 35

0 3 5 5 4 2 1 0

Ej. Nº 2: Encontrar la curva “E” de un líquido que fluye a través de un recipiente Un tanque de 860 [L] se usa como equipo de contacto líquido – gas. Las burbujas de gas suben por el reactor y salen por la parte superior. El líquido fluye de la entrada a la salida a razón de 5 [L/s]. Para tener una idea del patrón de flujo del líquido en este tanque, se inyecta un impulso de rastreador (M = 150 [g]) a la entrada del líquido en este tanque, y se mide la concentración a la salida, tal como se muestra en la figura.

a) ¿Está bien hecho este experimento? b) Si es así, calcular la fracción de reactor que ocupa el líquido. c) Determinar la curva E para el líquido. d) Cualitativamente, ¿qué piensa Ud. que está pasando con el reactor?

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Ej. Nº 3: Convolución ௧

Conocida la ecuación: Cout(t) = ‫׬‬଴ ‹ሺ–Ȃ –ƲሻǤ ሺ–ሻ†–Ʋ; se busca calcular Cout a partir de la siguientes figuras que representan las funciones C in (t-t´) y la curva E del recipiente utilizado en la experiencia representada.

Ej. Nº 4: Conversión en reactores con flujo no ideal El recipiente del ejercicio N° 1 se va a utilizar como un reactor para una descomposición líquida con velocidad: (-rA) = k · CA ; k = 0,307 [1/min]. Calcular la fracción de reactivo no convertido en el reactor real y compararla con la fracción no convertida en un reactor de flujo pistón del mismo tamaño. Ej. Nº 5: Reacción de un macrofluido El reactivo A deCA0 = 2 [mol/L] en forma de pequeñas gotas dispersas no coalescentes reacciona con las siguientes características: A → R; (-rA) = k · CA2 ; k = 0,5 [L/mol.min]. Conforme pasa a través de un equipo de contacto. Calcular la concentración promedio de A que queda en las gotas que abandonan el equipo de contacto si la RTD de éstas está dada por la curva que se representa a continuación:

Recordar que E = C (respuesta a un IMPULSO UNITARIO)

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LABORATORIO Y PLANTA PILOTO A DEFINIR INTRODUCCIÓN ESTUDIO DE LAS VELOCIDADES DE REACCIÓN El estudio experimental de las velocidades de reacción se reduce a la medida de las concentraciones en función del tiempo a determinadas temperaturas. Sin embargo, en el caso de reacciones muy rápidas se puede llevar a cabo tal estudio sin hacer dichas medidas. En general, se conoce la cantidad inicial de reactivos para t = 0, y se mide, o bien cuánto reactivo va quedando, o cuánto producto se va formando.  Métodos químicos y físicos ordinarios: Los procedimientos de análisis se pueden dividir en dos amplios grupos, químicos y físicos, cuya diferencia principal es que en el primero se separa una cantidad de sustancia del recipiente de reacción para su análisis posterior; mientras que en el segundo, la medida se hace directamente en el recipiente de reacción. MÉTODOS QUÍMICOS: Para que sean eficaces, deben ser rápidos en relación con la reacción a estudiar; en caso contrario, se debe parar o frenar la reacción mientras dura el análisis, bien disminuyendo la temperatura, eliminando el catalizador, añadiendo un inhibidor, eliminado algunos de los reactivos, etc. MÉTODO FÍSICO: Es aquel que mide alguna propiedad física de la mezcla que cambien a lo largo de la reacción. Puesto que los métodos físicos son rápidos y evitan el tener que sacar muestras de la vasija de reacción para su análisis, son más convenientes que los métodos químicos. Entre los métodos físicos más corrientes se encuentran:     

Medida de la presión en reacciones gaseosas Métodos dilatométricos (cambio de volumen) Métodos ópticos: polarimetría, índice de refracción, colorimetría, espectrofotometría Métodos eléctricos: conductimetría, potenciometría, polarografía.

Métodos de atenuación

En el caso de reacciones muy rápidas, los métodos anteriores fallan casi siempre. En este caso, uno de los métodos empleados es el de atenuación, que supone la medida del tiempo de atenuación (tiempo necesario para que el sistema avance una fracción l/e de su camino hacia el equilibrio). La diferencia con los métodos anteriores es que la reacción no se inicia mezclando los reactivos, sino que se deja que alcance el equilibrio, el cual se perturba después ligeramente, bien cambiando de modo brusco la temperatura o la presión o aplicando un campo eléctrico intenso, con lo que el sistema se desplaza algo del equilibrio. El camino hacia el nuevo equilibrio se mide por medio de técnicas electrónicas de gran velocidad, por ejemplo, con un osciloscopio. El proceso es adiabático (no hay flujo de calor). El tiempo que dura la perturbación ha de ser menor que el tiempo de relajación; para las reacciones más rápidas conocidas, el primero debe ser del orden de 10-6 - 10-7 seg.  Ondas de choque (para reacciones rápidas) La perturbación en este caso se efectúa por una onda de choque que pasa a velocidad supersónica a través del sistema. Dicha onda de choque se puede obtener por medio de una carga explosiva. El método tiene algo en común con los métodos de atenuación, aunque en este caso la perturbación es tan grande que el sistema se desplaza bastante del equilibrio. En el caso de gases, se suele usar un tubo de choque, que no es sino un tubo con un diafragma en su interior que separa dos porciones de gas: una, con gas inerte a alta presión, y otra, con gas reaccionante a baja presión.

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Cuando se rompe el diafragma, la expansión del gas a alta presión produce una onda de choque que pasa adiabáticamente a través del gas a baja presión, comprimiéndolo. A medida que la onda pasa, el gas se eleva rápidamente a altas temperaturas, hasta 2000 ºC, pudiéndose seguir la reacción haciendo medidas a lo largo del tubo. Este cambio de la temperatura produce en intervalos muy pequeños de tiempo. El método se ha usado para estudiar velocidades de disociación en moléculas simples. 

Fotólisis de centelleo (para reacciones rápidas)

Otro método muy importante de estudiar reacciones muy rápidas, tanto en gases como en líquidos, es el método de la fotólisis de centelleo. En este caso, la perturbación del equilibrio se reproduce por una irradiación de gran intensidad y corta duración. (aprox. 10 -6). La luz se origina con una lámpara de centelleo a altos voltajes y corrientes. La energía luminosa absorbida por las moléculas da lugar no sólo a una excitación electrónica, sino a una reacción química.

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PRÁCTICA OBTENCIÓN DE SULFATO DE COBRE 1- Investigue sobre la cinética de obtención del producto a obtener en la práctica. 2- Estudie los materiales, drogas y métodos propuestos, previo a la realización del práctico, a fin de entender el objetivo del mismo. 3- Debe tener preparadas las planillas de registro de la información que Uds. recolectarán en la práctica. Requerimiento de materiales por comisión de trabajo en Laboratorio. Se estima un total de 20 comisiones por trabajo práctico. Cantidad por comisión

ELEMENTOS REQUERIDO Pipetas de 1 ml

2

Pipetas de 10 ml

2

Vaso de precipitado de 200 ml

2

Agitadores magnéticos con regulador de temperatura

2

Agitadores magnéticos

2

Imanes de igual tamaño (4 cuatro)

2

INSTRUMENTO REQUERIDO Conductímetro (sensor de conductividad para obtener información de las concentraciones iónicas totales de Cu en las soluciones preparadas) DROGAS REQUERIDAS Ácido Sulfúrico

500 ml al 10%

Agua oxigenada de 100 volúmenes

200 ml

Cables (o filamentos de cobre)

2g

PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA 1. Regístrese las condiciones de presión y temperatura del ensayo. 2. Se prepara una solución de ácido sulfúrico al 10%. 3. Se colocan en los dos vasos de precipitado 250 ml de ácido sulfúrico al 10% y 100 ml de agua oxigenada 100 volúmenes. 4. Se coloca a cada uno de los dos vasos, en cada uno de los agitadores y se introduce el conductímetro en cada una de ellas para determinar la concentración de Cu en tiempo cero. 5. Se coloca la chatarra de cobre previamente pesada en el vaso de precipitado marcado A, en el agitador, el que se coloca sin calor adicional. Da comienzo la reacción A. Se inicia el conteo del tiempo para A. (Reacción A sin aporte de calor) 6. Se repite el procedimiento para la reacción B a los 60 segundos. Se enciende el segundo agitador, indicando en el equipo una temperatura constante de 60°C. Aquí es donde comienza la reacción B. Se inicia la toma de tiempos para B. (Reacción B con aporte de calor) Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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7. Cada 5 minutos se debe leer la conductividad eléctrica de cada una las dos soluciones, que se van enriqueciendo del producto (CuSO4.5H2O). Anotar registros en la panilla dispuesta en el práctico. 8. Se repiten los procedimientos indicados en 6. y 7. durante cuarenta minutos (deben completar un total de 8 registros para cada una de las reacciones) 9. Se debe realizar la equivalencia de conductividad a unidades de concentración válida para análisis cinético. 10. Se grafican las dos curvas que representan a las reacciones A y B.

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PRÁCTICA OBTENCIÓN DE ACETATO DE ETILO CONSIGNAS A CUMPLIR A) INVESTIGUE Y DEFINA LA CINÉTICA A TEMPERATURA CONSTANTE 1- Investigue sobre la cinética de obtención del producto a obtener en la práctica. 2- Estudie los materiales, drogas y métodos propuestos, previo a la realización del práctico, a fin de entender el objetivo del mismo. 3- Debe tener preparadas las planillas de registro de la información que Uds. recolectarán en la práctica. B) DISEÑE UN REACTOR QUE VERIFIQUE LA MENOR CATIDAD DE IMPUREZAS, E INDIQUE EL USO. (cálculo y desarrollo de reactor escala laboratorio) Deberán realizar los métodos siguientes: 2.A MEDIANTE VALORACIÓN Requerimiento de materiales por comisión de trabajo en Laboratorio. Se estima un total de 20 comisiones por trabajo práctico. Cantidad por comisión

ELEMENTOS REQUERIDO DROGAS PREPARADAS VALORACIÓN: NaOH 0,02 N

500 ml

VALORACIÓN: ClH 0,05 N

500 ml

VALORACIÓN: indicador fenolftaleína

1 gotero

REACTIVO: Acetato de Etilo 0,02 N

500 ml

REACTIVO: hidróxido de sodio 0,02 N

500 ml

MATERIAL Termómetro de registro ambiental

1

Termómetro de registro temperatura de soluciones

1

Vaso de precipitación 1 L

1

Erlermeyer 100 ml

6

Bureta para valoración 50 ml y porta buretas

2

Pipeta valorada 10 ml

2

Pipeta valorada 25 ml

2

Baño termostatizador (25 ºC, 50 °C) 1

1

Agitador magnético o mecánico del tamanño adecuado para el reactor preparado: vaso de precipitado de 1 litro de capacidad

1

Agitador de vidrio

2

PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA (el formato de la práctica y cuestionario se dispondrá en el Manual de Prácticos de la Asignatura) SOLUCIONES DE VALORACIÓN 1.

Preparar 500 ml de NaOH 0,02 N. Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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2.

Preparar 500 ml de ClH 0,05 N.

3.

Valorar el NaOH con un patrón primario.

4.

Con el NaOH valorado, se valora el ClH preparado anteriormente.

de

REACTIVOS 5.

Preparar 1 litro de Acetato de Etilo 0,02 N.

6.

Preparar 1 litro de hidróxido de sodio 0,02 N

PRÁCTICA 7.

En 6 Erlenmeyers se introducen 10 ml del ClH valorado.

8.

Termostatizar los reactivos a 25 ºC durante 10 minutos (Acetato de Etilo e hidróxido de sodio).

9.

Se añade rápidamente el Acetato de Etilo sobre la disolución de NaOH, comenzando en este instante la reacción.

10. Para poder calcular la velocidad de reacción vamos a medir la concentración de OH- a diferentes tiempos. Para ello, cada cierto intervalo de tiempo se añaden 25 ml de la mezcla de reacción sobre los 10 ml de ClH preparados con anterioridad, por lo que deben extraer 25 ml desde el reactor utilizado (vaso de precipitado). El hidróxido de sodio presente en la muestra se neutralizará con el ácido clorhídrico presente, y quedará un exceso de ácido que se valorizará con hidróxido de sodio. 11. Para la valoración se utilizará fenolftaleína. 12. En total se tomarán 6 muestras. 13. Repetir el mismo procedimiento a 40, y luego a 50 ºC. Para cada temperatura de trabajo, resultará una gráfica de 6 puntos. 2.B- MEDIANTE CONDUCTIMETRIA Requerimiento de materiales por comisión de trabajo en Laboratorio. Se estima un total de 20 comisiones por trabajo práctico. Cantidad por comisión

ELEMENTOS REQUERIDO DROGAS PREPARADAS VALORACIÓN: ClH 0,05 N

100 ml

VALORACIÓN: indicador fenolftaleína

1 gotero

REACTIVO: Acetato de Etilo 0,1 M

500 ml

REACTIVO: hidróxido de sodio 0,1 M

500 ml

MATERIAL Termómetro de registro ambiental

1

Termómetro de registro temperatura de soluciones

1

Vaso de precipitación 1 L

1

Conductímetro

1

Termómetro de registro ambiental

1

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Cantidad por comisión

ELEMENTOS REQUERIDO Termómetro de registro temperatura de soluciones

1

Bureta para valoración 50 ml y porta bureta

1

Baño termostatizador (25 ºC, 50 °C) o sistema equivalente

1

Vasos de precipitados

2

Erlermeyers

2

Agitador de vidrio

1

pinza

1

Manopla aislante térmica

1

Agitador magnético o mecánico del tamanño adecuado para el reactor preparado: vaso de precipitado de 1 litro de capacidad

1

PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA (el formato de la práctica y cuestionario se dispondrá en el Manual de Prácticos de la Asignatura) En esta reacción, las concentraciones iniciales de los dos reactivos se hacen iguales a 0,01 M. Bajo estas condiciones, la ecuación 1 es aplicable para determinar la constante de velocidad, siendo la conductividad inicial, Ko, la de la solución 0,1 M de NaOH, y la conductividad al final de la reacción Kf, la de una solución 0,1 M de Acetato de Sodio. 1. Preparar 500 ml de NaOH 0,1 M 2. Preparar 500 ml de Acetato de Etilo 0,1 M. 3. Valorar la solución de NaOH, utilizando procedimeintos – materiales indicados en punto 2.A. 4. Medir y registrar condiciones de Presión y Temperatura del laboratorio. 5. Termostatizar los reactivos a 25ºC. 6. Medir las conductividades de las soluciones y anotarlas en planilla del práctico. 7. Introducir en el reactor los reactivos (vaso de precipitado de 1 L) 8. Poner en marcha la agitación en el reactivo (puede ser mediante introducción de agitador mecánico, o colocando el reactor sobre agitador magnético. 9. Medir las conductividades del sistema cada 5 minutos. 10.

Registrar los valores obtenido (junto con el tiempo) en la planilla del práctico.

11.

Repetir el mismo procedimiento a 40 y 50ºC.

2.C- POR CONDUCTIMETRÍA Ídem Anterior pero con los reactivos en concentraciones 10 veces menores.

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PRÁCTICA OBTENCIÓN DE ACETATO DE ETILO CONSIGNAS A CUMPLIR A) INVESTIGUE Y DEFINA LA CINÉTICA A TEMPERATURA CONSTANTE 4- Investigue sobre la cinética de obtención del producto a obtener en la práctica. 5- Estudie los materiales, drogas y métodos propuestos, previo a la realización del práctico, a fin de entender el objetivo del mismo. 6- Debe tener preparadas las planillas de registro de la información que Uds. recolectarán en la práctica. B) DISEÑE UN REACTOR QUE VERIFIQUE LA MENOR CATIDAD DE IMPUREZAS, E INDIQUE EL USO. (cálculo y desarrollo de reactor escala laboratorio) INTRODUCCIÓN El diseño de un reactor puede consistir en OPTIMIZAR – ADAPTAR y/o DISEÑAR. En nuestro caso adaptaremos un reactor tanque agitado para un proceso discontinuo e isotérmico de producción de acetato de potasio, por oxidación de etanol con permanganato de potasio a 72 [ºC] en medio neutro. La experiencia se dividirá en dos etapas: LABORATORIO – LABORATORIO TECNOLÓGICO (planta piloto); luego se desarrollarán dos problemas que se enuncian al finalizar el práctico. A) LABORATORIO Determinaremos la CINÉTICA de la reacción a 72 [ºC], a través del análisis de muestras a intervalos determinados de tiempo y con concentración inicial constante. Elementos de trabajo: 9 bureta de 50 [ml] 9 alcohol etílico de 96 [ºC] 9 permanganato de potasio puro (MnO4K) 9 cloruro férrico puro (Cl3Fe) 9 dos erlermeyer de 250 [ml] por grupo 9 agua destilada 9 papel de filtro 9 balanza 9 cronómetro 9 filtro de vacío. Procedimiento: En uno de los erlermeyer colocar 50 [ml] de agua estilada, sobre ella gregar 0,30 [gr] de Cl 3Fe y agitar hasta disolver completamente. Cada grupo deberá agregar esta solución a su respectiva bureta. Cada grupo deberá llenar un erlermeyer con 50 [ml] de etanol y sobre éste agragar 1 [gr] de MnO4K puro. Agitar bien hasta disolver, luego llevar a estufa y termostizar a 72 [ºC]. Se extraerá un erlermeyer para su análisis cada 15 [min], es decir que cada grupo tendrá un tiempo de extracción determinado. Se filtrará su contenido en el filtro de vacío con mucho cuidado

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para no perder nada de líquido. El líquido filtrado se coloca en otro erlermeyer para titularlo con la solución de cloruro férrico. Titulación: Se deberá agregar titulante hasta obtener una solución de olor rojo intenso (debido a la presencia de acetato férrico). Anotar el valor en el cuadro correspondiente junto con los valores obtenidos por cada grupo, en orden secuencial. Cálculo: Conociendo la cantidad de cloruro férrico utilizada en la titulación de cada erlermeyer podemos obtener la cantidad de MnO4K que reaccionó por relación estequiométrica, y con ella la concetración en el instante “t” o la conversión aplicando el MÉTODO INTEGRAL y DIFERENCIAL para la obtención de la cinética. Reacción Química: 4 MnO4K +3 (C2H6O) o

4 MnO2 +3 (C2H4O2) + 4 KOH + H2O p 4 MnO2 +3 (C2H3O2K) +KOH + H2O

4 Cl3Fe + 3 (C2H3O2K) o

MUESTRA Nº

[ml] solución titulante

Fe (C2H3O2)3 + [g] MnO4K que reaccionó

3 ClK

x MnO4K

COLOR ROJO INTENSO

[g] Cl3Fe

C MnO4K

Tiempo [min]

K (mét. ³)

CMnO4K 0 = 1 g / 50 ml = 0,02 g/ml CMnO4K = (1 g – m MnO4K) / 50 ml x MnO4K = (CMnO4K 0 - CMnO4K) / CMnO4K 0 EQUIPOS DE MEZCLADO Hay gran cantiad de funciones de procesamiento que se llevan a cabo en recipientes agitados mediante impulsores giratorios. En nuestro caso, una suspención o dispersión de partículas Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

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sólidas en un líquido para producir uniformidad, fomentar la transferenia de masas (como la disolución) o iniciar una rección química y ayudarla. Los impulsores se pueden dividir en dos clases: flujo axial y flujo radial. La clasificación depende del ángulo que forman las aspas con el plano de rotación del impulsor. IMPULSORES DE FLUJO AXIAL Incluyen todos los que tienen aspas que forman un ángulo de 90º con el plano de rotación. Las hélices y las ruedas de paletas o turbinas de aspas inclinadas son representativas de este tipo de impulsores. Con frecuencia se utilizan hélices para la agitación de tanques de menos de 3,8 [m3], o menos de 1,8 [m] de diámetro, cuando resultan satisfactorios menos de 3 HP para obtener los resultados deseados en el procesamiento. Existen dos gamas básicas de velocidades: 9 150 a 750 [rpm] con transmisión directa. 9 420 [rpm] con transmisión de engranajes. Las unidades de alta velocidad producen velocidades y razones de corte más elevadas en la corriente de descarga de la hélice, además de una rapidez más baja de circulación en todo el recipiente que las unidades de baja velocidad. Para la suspención de sólidos, es común utilizar las unidades de transmisión de engranaje, mientras que para reacciones rápidas son más apropiaas las unidades de alta velocidad. TANQUE SIN DESVIACIONES Si se gita un líquido de baja de viscosidad en un tanque sin desviaciones (o bafles) mediante un agitado montado en forma axial, habrá tendenia que se desarrolle un patrón de flujo de remolino, sea cual sea el tipo de impulsor que se utilice. Se forma un vórtice debido a la fuerzaentrífug que actú sobre el líquido que gira. A pesar de la presencia de un remolino, se obtiene a menudo un proceso satisfactorio en un recipiente sin desviaciones, sin embrgo, hay límites para la velocidad de rotación que se puede utilizar, puesto que, una vez que el remolino llega al impulsor se puede producir arratre de aire. Además, la masa de remolino de líquido genera con frecueni una ond osilante en el tanque, que,unid al remolino profundo, puede crear una gran fuerza fluctuante que actúa sobre el eje de la mezcladora. B) PLANTA PILOTO La experiencia consiste en tomar los siguientes datos del reactortanque agitado, que se enuentra en planta piloto. 1-

DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE REACTIVOS Y PRODUCTOS

Permanganato de Potasio (MnO4K): Alcohol Etílico (C2H6O): Acetato de Potasio (C2H3O2K): 2-

DIMENSIONES DEL REACTOR

Se medirá el volumen del reactor. 3-

TIEMPO MUERTO

Se medirán los tiempos de carga - descarga PROCEDIMIENTO Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

Ing. Andrea Rivarola (JTP)

Ing. Fernanda Tarditi (JTP)

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL MENDOZA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

Cátedra

INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Carpeta

Trabajos Prácticos de la Ciclo Lectivo 2016

Alumn…. Legajo Nº HOJA Nº

de

La experiencia se realizará una vez por grupo. Con el “Reactor Piloto” ya abierto, llenar el 70 [%] de su capacidad con alcohol etílico, luego agregar MnO4K puro en una relación de 1/50 [Kg] por litro de alcohol. Tapar el reactor y hacer arrancar el motor del agitador. Llevar a un temperatura igual a 70 [ºC]. Tiempo necesario para lograr la conversión deseada: considerar los datos obtenidos en la ecuación cinética obtenida en la etapa de laboratorio, desarrollada como ítem A. Transurrido el tiempo de conversión necesario para lograr la conversión óptima, detener el motor del gitador, abrir el reactor y descargar completamente. Limpiar. La limpiea consistirá en enjuagar el interior del reactor con alcohol y posteriormente secarlo con aire comprimido. Finalmente todos los grupos compartirán los datos para promediar todos los tiempos de CARGA – DESCARGA y LIMPIEZA, para obtener el TIEMPO MUERTO. Dicho tiempo será el valor que tomaremos como el tiempo que trada un operador normal en hacer el trabajo. GRUPO

TIEMPO DE CARGA []

TIEMPO DE DESCARGA

TIEMPO DE LIMPIEZA

[]

[]

PROMEDIO

TIEMPO MUERTO: C) problemas 1- Calcular la concentración inicial de permanganato de potasio para obtener una producción de 0,5 [Kg/día] de acetato de potasio, con el Reactor Piloto trabajando al 70 [%] de su volumen, en forma isotérmica a 70 [ºC] y con una conversión del 20 % de pemanganato de potasio. 2- ¿Cuál será el tiempo de reación necesario para obtener una conversión del 35 [%] de permanganato de potasio en el Reactor Piloto trabajando en forma isotérmica a 70 [ºC] al 80 [%] Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

Ing. Andrea Rivarola (JTP)

Ing. Fernanda Tarditi (JTP)

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL MENDOZA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

Cátedra

INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

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Trabajos Prácticos de la Ciclo Lectivo 2016

Alumn…. Legajo Nº HOJA Nº

de

de su volumen y con una concentración inicial de 1/50 [Kg] de permanganato de potasio puro por litro de alcohol etílico?

Ing. Ana Müller (Prof. Adj.)

Ing. Andrea Rivarola (JTP)

Ing. Fernanda Tarditi (JTP)