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• Raúl Zura

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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA E INGENIERIA DE ALIMENTOS INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS

DISCUSIÓN #4 Unidad IV: Diseño de Reactores para Reacciones Simples 1. (TREN DE CSTR) Se efectuará la reacción en fase líquida A + B  C en un CSTR que tiene tres agitadores. Los patrones de mezclado en el CSTR son tales que se modela como tres CSTR del mismo tamaño en serie. Las especies A y B se alimentan por tuberías individuales al CSTR, que inicialmente sólo contiene material inerte. Cada CSTR tiene un volumen de 200 dm 3 y el flujo volumétrico al primer reactor es de 10 dm3/min de A y B respectivamente.

a) b) c) d) e)

Calcule la conversión en el estado estacionario de A (RESP X ≈ 0.55) Determine el tiempo que toma alcanzar el estado estacionario (es decir, cuando CA a la salida del tercer reactor es 99% del valor de estado estacionario) Grafique concentración de A a la salida de cada tanque en función del tiempo Suponga que la alimentación de la especie B se divide de modo que la mitad se alimenta al primer tanque, y la otra mitad al segundo. Repita los literales anteriores Varíe los parámetros del sistema vo, V, k, etc. para determinar sus efectos sobre el arranque. Escriba un párrafo que describa las tendencias observadas y que incluya un análisis del parámetro que más afecta los resultados

dm3 INFORMACIÖN ADICIONAL: CAo = CBo = 2.0 mol/dm y k = 0.025 mol * min 3

2. La reacción exotérmica A  B + C se realizó abiabáticamente y se registraron los siguientes datos:

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X

 mol   3  dm min 

-rA 

0

0.2

10 16.67

0.4 0.5 0.6

0.8

50

12.5 9.09

50

50

0.9

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

a) b) c) d) e) f)

¿Qué volúmenes PFR y CSTR se necesitan para alcanzar una conversión de 40%? (VPFR = 7.2 dm3, VCSTR = 2.4 dm3) ¿En qué intervalo de conversiones serían idénticos los volúmenes de los reactores CSTR y PFR? ¿Qué conversión máxima se puede alcanzar en un CSTR de 10.5 dm3? ¿Qué conversión se puede alcanzar en un PFR de 7.2 dm3 en serie de un CSTR de 2.4 dm3? ¿Qué conversión se puede alcanzar si un CSTR de 2.4 dm3 va seguido en serie de un PFR de 7.2 dm3? Grafique la conversión y la velocidad de reacción en función del volumen del reactor PFR hasta un volumen de 10 dm3?

3. La figura muestra CAo/-rA contra XA para una descomposición del reactivo A en fase líquida, no isotérmica no elemental de múltiples reacciones.

a)

Considere los dos sistemas que se muestran en la figura en lo que un CSTR y un PFR están conectados en serie. La conversión intermedia es de 0.3 y la conversión final es de 0.7. ¿Cómo deben acomodarse los reactores para obtener el volumen de reactor total mínimo? Explique

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b) c) d) e)

Si la velocidad de flujo volumétrico es de 50 l/min, ¿qué volumen mínimo tendrás el reactor? (RESP = 750 dm3) ¿Existe una forma mejor (o sea, volumen total mínimo alcanzando una conversión de 70%) distinta de cualquiera de los sistemas aquí propuestos? (RESP = 512 l) ¿Con qué conversión(es) el volumen del reactor requerido será idéntico para un CSTR o un PFR tubular? (RESP = X = 0.45, ?) Utilizando la información de la figura junto con la ecuación de diseño de CSTR, grafique τ contra X. Si el volumen del reactor es de 700 l y la velocidad de flujo volumétrico es de 50 l/min, ¿qué posibles conversiones de salida (es decir, múltiples estados estacionarios) tiene este reactor?

4. La reacción no elemental, irreversible en fase gaseosa A + 2B  C se llevará a cabo isotérmicamente en un reactor por lotes a presión constante. La alimentación está a una temperatura de 227oC, una presión de 1013 KPa y su composición es 33.3% de A y 66.7% de B. Se obtuvieron los siguientes datos de laboratorio en condiciones idénticas (tenga presente que a X = 0, -rA = 0.00001)

 mol  x103 0.010 0.005 0.002 0.001 3   dm s 

-rA 

X

a) b) c) d) e) f) g) h)

0.0

0.2

0.4

0.6

Estime el volumen del reactor de flujo tapón (PFR) requerido para alcanzar una conversión del 30% de A para una velocidad de flujo volumétrico entrante de 2 m3/min Estime el volumen de un CSTR requerido para recibir el efluente del PFR anterior y alcanzar una conversión total de 50% (con base en la especie A alimentada al PFR) ¿Qué volumen total tienen los dos reactores? ¿Qué volumen tiene un solo PFR necesario para alcanzar una conversión de 60%?¿de 80%? ¿Qué volumen tiene un solo CSTR necesario para alcanzar una conversión de 50%? ¿Qué volumen tendría que tener un segundo CSTR para elevar la conversión de un 50 % a un 60%? Grafique la velocidad de reacción y la conversión en función del volumen del PFR Analice críticamente las respuestas a este problema.

5. La reacción 2A = C + D se efectúa en una batería de reactores con agitación con un caudal de 3000 l/h. La concentración inicial de a es de 25 mol/litro, siendo nulas las de C y D. La velocidad específica de la reacción directa es 0.62

litro , y la constante de equilibrio mol * hora

termodinámico es Kc = 16. Se desea obtener una conversión de equilibrio del 80%.

a) b)

¿Qué tamaño de tanque se necesita si sólo se emplea uno? Si se dispone de tanques cuya capacidad es la décima parte de la calculada en el apartado (a), ¿cuántos de estos tanques han de montarse en serie?

6. La reacción en fase gas entre el etileno (E) y el hidrógeno (H), para producir etano se lleva a cabo en un RMC. La alimentación contiene 40% mol de etano, 40% mol de hidrógeno y

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20% mol de nitrógeno, entra al reactor a una velocidad molar de 1.5 mol/min, con un caudal de 2.5 L/min. La reacción es de primer orden con respecto a cada reactante, con una velocidad específica de k = 0.25 L/(mol-min). Determine: a) El tamaño del RMC necesario para producir un producto que contiene el 60% mol de etano. Asuma que T y P son constantes. b) El tamaño y el número de reactores de un sistema de reactores de MC en serie si cada reactor de la serie es de 1/5 del tamaño del reactor obtenido en el literal a). Concluya. c) El arreglo y el tamaño de un sistema compuesto por un reactor de mezcla completa y un reactor de flujo en pistón, que opere con las mismas condiciones del literal a). d) De una valoración general de sus resultados. 7. Se desea diseñar un reactor para la producción de aceites secantes por medio de la descomposición de aceite de ricino acetilado; se desea una conversión del 70%. La carga inicial será de 500 lb y la temperatura inicial de 340 °C como en el ejercicio 5. De hecho, se seguirán todas las condiciones del ejercicio 5, excepto que en lugar de operar en forma adiabática, se suministrara calor eléctricamente, mediante una bobina “Cal-red” de 1 plg de DE, sumergida en la mezcla reaccionante. El suministro de potencia y la agitación en el reactor será de tal tipo, que la temperatura de la superficie del calentador se mantendrá constante a 700 K. El coeficiente de transferencia de calor se puede tomar como igual a 60 Btu/(h)(pie2)(°F). ¿Qué longitud deberá tener el calentador si la conversión deseada de 70% debe obtenerse en 20 min? Ejercicios a desarrollar de Levenspiel tercera edición: 6.7, 6.9, 6.10, 6.14. 6.16, 6.17, 6.20.

PLAN DE DISCUSIÓN

1) Para esta unidad se pondrán en común en la sesión de discusión los ejercicios que se presentan en la tabla a continuación: PROBLEMAS 1, 5, 6, Problemas del libro de levenspiel 3º edición

2) Cada equipo formado expondrá el desarrollo de dos de los ejercicios que aleatoriamente asigne el profesor.

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