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• Bruno Martín Mato

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REACTORES QUÍMICOS Primer Examen Parcial Parte I: Libro cerrado 18 de abril de 2005 Apellido, Nombres: LU: 1.

La reacción

A ⇔ 2B es reversible, exotérmica y se lleva a cabo en fase gas en el reactor tubular con reciclo que se muestra en la figura 1 T, P

FAf , FI f

F

R=

FR

FR F

Figura 1 Usted ha sido puesto a cargo de la operación del reactor y tiene como objetivo maximizar la velocidad de producción de B (kmol B/h). Para ello, debe especificar cinco variables operativas en algún valor dentro de los rangos que se indican: T: temperatura del reactor

250ºC ≤ T ≤ 350 ºC

P: presión del reactor

1 atm ≤ P ≤ 10 atm

FAf : caudal de alimentación fresca del reactivo A

8 kmolA /h ≤ FAf ≤ 13 kmolA /h

FI f : caudal de alimentación fresca de inertes

5 kmolI /h ≤ FI f ≤ 15 kmolI /h

R=

FR : relación de reciclo F

0.1 ≤ R ≤ 2

Especifique las cinco variables dentro de los rangos admisibles, asumiendo que en el reactor se alcanzan condiciones muy próximas al equilibrio químico (justifique cada respuesta).

2.

Escriba el balance de masa para cada uno de los siguientes reactores. Expréselos en términos de conversión y considere que en las corrientes frescas sólo está presente A. Indique que tipo de conversiones ha utilizado (parciales/totales). La reacción que se lleva a cabo es A → B FA01

FA02

FA1

FA03

λFA1 FA2

3.

Nombre un reactor industrial de la región de Bahía Blanca, especifique que reacción se lleva a cabo en él y cuáles son las principales características técnicas del mismo.

REACTORES QUÍMICOS Primer Examen Parcial Parte II: Libro abierto 18 de abril de 2005

Apellido, Nombres: LU: 1. La reacción elemental irreversible que se muestra a continuación ocurre en fase

acuosa A + B → R+S y es llevada a cabo en forma isotérmica de la siguiente manera: dos corrientes con igual caudal volumétrico son mezcladas antes de ingresar a un TAC de 4 litros. Una corriente contiene 0.16 mol/l de A, y la otra 1.4 mol B/ l. La salida del TAC es enviada a un RT de 16 litros. Se encontró que algo de R se forma en el TAC siendo su concentración de salida igual a 0.02 mol R/l. Encontrar la conversión global y CR a la salida del RT. 2. Considere la siguiente reacción:

2A ⇔ B

La reacción se lleva a cabo a 760 ºC, una presión total de 5 atm y con una alimentación de A puro. La constante específica de velocidad a 760 ºC es de 1800 ft3/lbmol s y la constante de equilibrio a esa misma temperatura es de 0.8. a) Determine la conversión de equilibrio b) Calcule el volumen de un reactor tubular necesario para lograr un 80% de la conversión de equilibrio. (caudal de alimentación de A: 10 lbmol/min) c) Calcule el volumen de un TAC necesario para lograr un 80% de la conversión de equilibrio. (caudal de alimentación de A: 10 lbmol/min)

REACTORES QUÍMICOS Segundo Examen Parcial Parte I: Libro cerrado 24 de mayo de 2005 Apellido, Nombres: LU:

4.1. Escriba los balances de masa para el sustrato, producto y biomasa para la experiencia nombrada como 1. 4.2. Escriba los balances de masa para el sustrato, producto y biomasa correspondientes a las experiencias 2, 3 y 4. Indique claramente las hipótesis que asume y por qué selecciona el modelo cinético que propone para cada una de las experiencias.

120 P1

100

s1 s2

X, S, P, g/L

80

P2

60

x1 40 x2

20 0 0

5

10 tiempo, h

15

20

120 P1 100

s3

80 X, S, P, g/L

4. Las figuras presentadas en la columna adjunta representan la concentración del sustrato limitante, producto y biomasa medidos en un reactor discontinuo en función del tiempo. Las líneas a trazos (experiencia 1) en todas las figuras representan a una reacción biológica que produce un metabolito primario, donde las células no experimentan (al menos en las 20 h de reacción monitoreadas) muerte y donde el sustrato sólo se utiliza para generar biomasa.

P3

s1

60 x1

40 x3

20 0 0

5

10 tiempo, h

15

20

4.3. Determine a partir de la gráfica el Yxp y el Yxs para la experiencia 1. 200 180 160 140

P4

X, S, P, g/L

120

P1

s1=s4

100 80

x1=x4

60 40 20 0 0

5

10 tiempo, h

15

20

5. Dibuje para cada uno de los esquemas cinéticos que se presentan a continuación las concentraciones de todas las especies en función del tiempo. Utilice los gráficos que se proveen. 5.1. A+B→C B+C→D

CA0=4 mol /dm3, CB0=6 mol /dm3, CC0=CD0=0 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

5.2. A→B→C B →D

CA0=6 mol /dm3, CB0=CC0=CD0=0 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

REACTORES QUÍMICOS Primer Examen Parcial Parte II: Libro abierto 24 de mayo de 2005 Apellido, Nombres: LU: 1. Las siguientes reacciones: kP A → P kX A → X kY A → Y

son llevadas a cabo en un reactor isotérmico continuo con un tiempo de residencia fijo de 15 minutos. Se dispone de los siguientes reactores: Reactor 1. TAC 2. TAC 3. RT 4. RT

Rango térmico de trabajo 300-520 K 520-700 K 300-520 K 520-700 K

1.1. Qué reactor elegiría y a qué temperatura lo operaría si el objetivo es maximizar la selectividad global hacia el producto deseado P?. 1.2. Cuál es el valor de SP máximo que es posible alcanzar en el reactor elegido en el punto 1.1? 1.3. Cuál es el valor del rendimiento hacia P cuando el reactor elegido opera en condiciones de máxima selectividad?.

k P ( seg −1 ) = 4.86 10 6 exp(− 12000 T ) , Datos:

T (K)

k X ( seg −1 ) = 2.2 10 2 exp(− 7000 T ) k Y ( seg −1 ) = 15.8 1010 exp(− 18000 T )

2. Los siguientes datos fueron obtenidos en un tanque continuo durante la oxidación de pesticidas presentes en un efluente, mediante un cultivo de microorganimos: D 0.05 0.11 0.24 0.39 0.52 0.7 0.82

S (pesticidas mg/l) 15 25 50 100 140 180 240

X(mg/l) 162 210 250 235 220 205 170

Asumiendo que la concentración de pesticida en el efluente es de So=500 mg/l, determine Yxs, β, µm y Ks. Considere que el sustrato se utiliza solo para producir biomasa.

REACTORES QUÍMICOS TercerExamen Parcial Parte I: Libro cerrado 21 de junio de 2005

Apellido, Nombres: LU: 3. La reacción elemental irreversible A→B se lleva a cabo en un reactor tubular.

Dibuje los perfiles axiales de las variables que se le solicitan en los gráficos adjuntos. 3.1. Suponga que el reactor opera adiabáticamente. Reacción endotérmica

Temperatura

Temperatura

Reacción exotérmica

z

Temperatura

Temperatura

z

Conversión

-rA

-rA

Conversión

z

z

3.2. Suponga que el reactor intercambia calor con un fluido que circula por la carcasa externa del reactor a temperatura constante. Reacción exotérmica -Reactor Refrigerado

Reacción endotérmica -Reactor Calefaccionado TA1 >T0

Temperatura

Temperatura

TA1 T0

z

Temperatura

Temperatura

TA2