2 COCH CH HC CH COOC CH + →

Capítulo 3 – Diseño de Reactores Isotérmicos Ideales
Guía de Problemas
CAPÍTULO 3 – GUÍA DE PROBLEMAS
1. La reacción en fase líquida
A+B→C
es elemental, y se lleva a cabo en un reactor continuo de manera isotérmica. Al reactor
entran dos corrientes. Una corriente sólo contiene A con una concentración de 2M, la otra
contiene sólo B también con una concentración 2M. El caudal volumétrico de cada corriente
es de 5 l/min y entran ambas a 300 K. Ambas corrientes se mezclan antes de entrar al
reactor. Se dispone de una TAC de 200 litros que puede ser calentado hasta 77 0C o bien
enfriado a 0 0C, y de un RT de 800 litros que opera a 300K (el cual no puede ser calentado
o enfriado). La constante de velocidad de reacción a 300 K es 0.07 litros/mol min, y la
energía de activación es 20 kcal/mol.
1.1.
¿Qué reactor elegiría y en qué condiciones lo operaría? Justifique sus
respuestas.
2. Considere un reactor TAD donde se lleva a cabo la reacción A→ B en fase líquida. Se
necesitan 1.5 horas para cargar el reactor e iniciar la agitación, 1 hora para calentar el
reactor hasta la temperatura deseada y media hora para vaciar y limpiar el reactor de modo
que esté listo para la próxima carga. ¿Cuántos batch se requieren para producir 250
toneladas de B por año?. La constante de velocidad de reacción es 0.13h-1, los moles
iniciales de A en cada batch son 20 Kmol, el PMA=PMB=40 Kg/K-mol.
3. La reacción elemental en fase gas:
(CH 3 )3 COOC (CH 3 )3 → C2 H 6 + 2CH 3COCH 3
es llevada a cabo isotérmicamente en reactor continuo sin caída de presión. La constante de
velocidad de reacción a 50 °C 10-4 min-1 y la energía de activación es 85 kJ/mol. Al reactor
entra di-ter-butil-eter a 10 atm y 127 °C, con un flujo molar de 2.5 mol/min.
3.1.
Calcular el volumen de un reactor tubular y el tiempo espacial si se desea
alcanzar una conversión de A del 90%.
3.2.
Asuma ahora que la reacción es reversible con una Kc=0.025 mol2/dm6. Calcule
la conversión de equilibrio. Estime el volumen del RT que permite que la
conversión sea del 90% del valor de la conversión de equilibrio.
4. La reacción elemental irreversible en fase gas 2A→B tiene lugar en un RT isotérmico. Al
reactor entran los compuestos A y C, donde C es un inerte que actúa como diluyente de
la mezcla de reacción. Ambos compuestos se alimentan de manera equimolar y la
conversión alcanzada es del 80%.
4.1.
Si el flujo molar de A se reduce a la mitad y la velocidad de alimentación de C no
cambia, qué conversión puede alcanzarse.
4.2.
Si el flujo molar de A se duplica y la velocidad de alimentación de C no cambia,
qué conversión puede alcanzarse. Justifique su respuesta. Qué conclusión general
Diseño de Reactores Isotérmicos Ideales
3.1
Capítulo 3 – Diseño de Reactores Isotérmicos Ideales
Guía de Problemas
puede realizar respecto al efecto del flujo molar de entrada sobre el valor de conversión
de salida.
5.
La siguiente reacción de adición tiene lugar en fase gaseosa a 400 °C en un TAD.
A+B→C
La composición inicial es la siguiente (porcentaje en moles):
A
B
C
Inertes
40%
40%
11%
9%
La reacción tiene lugar en un reactor isotérmico que se mantiene a una presión constante de
1 atm.
5.1.
Si la reacción es de primer orden en A y de primer orden en B, y si el valor de k
es 2 l/mol min, ¿cuánto tiempo transcurrirá para que la fracción molar de C llegue a ser
45%?
6. Un reactor TAC de 10 litros que opera en fase líquida es alimentado por dos corrientes
de reactivo. Una corriente con una concentración de reactivo A=3 mol/l y otra con una
concentración de B=5 mol/l.
A+B↔C
La cinética es del tipo:
-(rA) = k1 CA CB - k2 CC
y la constante de equilibrio es 8.2 l/mol y k1= 0.01 l/(mol seg)
6.1.
Si la corriente A es alimentada a 10 l/min, ¿cuál será el caudal de B necesario
para alcanzar un 30 % de conversión del componente B?
6.2.
¿Los resultados obtenidos concuerdan con los datos de entrada propuestos?
7. Se puede producir el producto C a partir de la descomposición del reactivo A de acuerdo
con la reacción:
2 A↔B + C
La constante de velocidad de la reacción directa a 393 °C y 1 atm es 0.588 l/mol min.
La constante de equilibrio correspondiente es Kc= 0.0167. En estas condiciones se debe
realizar un proceso de descomposición en un reactor de flujo continuo (TAC), con una
alimentación de 2 mol/min de A. Siendo CA0= 0.0183 gmol/l, determine:
7.1.
La descomposición porcentual de A en equilibrio.
El volumen de reactor necesario para obtener conversiones de A de 80 %
respecto de la correspondiente al del estado de equilibrio.
7.2.
Diseño de Reactores Isotérmicos Ideales
3.2
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8. La reacción A → B + C tiene lugar a 500 °C en un reactor tubular isotérmico en el que se
alcanza un 90 % de conversión, operando a 5 atm y procesando a razón de 500 lb/h. El
reactor está construido con un tubo de 6 pulg de diámetro.
8.1.
Determine el largo de reactor necesario para obtener la conversión deseada (sin
considerar y considerando la expansión). Asuma gas ideal.
Datos:
k= 7.8 109 exp(-19220/T) seg-1, T en K
MA=359 lb/lbmol
9. En un reactor tubular se produce la reacción:
k1
B↔ A
k2
y la temperatura se debe mantener entre 550 y 750 K. La concentración en la alimentación
de A es 0.1 y de B 0.9 mol/kg, y se requiere un producto cuya concentración de A y B sea
de 0.5 mol/kg de cada uno. Si la velocidad de flujo másico es de 10 kg/m2min y la velocidad
de reacción es r = k1CB- k2CA mol/m3min. ¿Cuál es la mínima longitud de reactor para los
siguientes casos?
9.1.
9.2.
k1= exp(19 - 12000/T) k2= 0, T en Kelvin
k1= exp(40 - 24000/T) k2= exp(19 - 12000/T), T en Kelvin
10. La reacción elemental irreversible 2A→B se lleva a cabo en un reactor tubular
isotérmicamente sin caída de presión apreciable.
Grafique los flujos molares de A y B a lo largo de reactor.
Datos:
yAo=1
Po= 8.2 atm
To=227 ºC
vo=25 dm3/s
k=10 dm3/(mol s)
11. El etileno ocupa el cuarto lugar en el ranking de los productos químicos producidos por
año en EEUU y el numero uno de los productos químicos orgánicos. En 1990 se
produjeron mas de 35 billones de libras, siendo el principal camino de obtención el
craqueo del etano:
C2H6 → C2H4 + H2
siendo la reacción irreversible y elemental.
Considerando que la reacción se desarrolla en un reactor de flujo de pistón ideal
operando a 1100 K:
11.1. Calcular las conversiones de salida para tres presiones totales (1, 3 y 6 atm).
Discuta los resultados obtenidos.
Datos:
Caudal de etano = 6.948 kmol/h
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3.3
Capítulo 3 – Diseño de Reactores Isotérmicos Ideales
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k(1100 K) = 3.07 s-1
Sección de la tubería (catalogo 80) = 1.905 10-3 m2
Realizar el estudio hasta 20 m
12. Se desea llevar a cabo la reacción en fase líquida:
A → P , -rA=2.5 h-1 CA
para procesar un caudal v0 de 5 m3/h y obtener una conversión del reactivo A del 90%.
12.1. Calcular el volumen requerido cuando se dispone de un reactor TAC.
12.2. Repita el inciso 12.1, considerando un reactor tubular que opera con flujo pistón.
12.3. Se ha decidido llevar a cabo la reacción en un reactor tubular con reciclo, tal
como muestra la figura que sigue:
FA1
FA0
Reactor
Volumen = V
FA2, xAs
FA3, xA0
R
FAR
12.3.1. Demostrar que la conversión por paso (xAs) está relacionada con la
conversión global (xA0) a través de la expresión:
x As =
x A0
F
F
F
, donde R = AR = TR = iR (Relación de reciclo)
1 + R (1 − x A0 )
FA 3
FT 3
Fi 3
donde FT representa flujo molar total.
12.3.2. Demostrar que el volumen de reactor necesario para alcanzar la conversión
global xA0 está dado por:
v (1 + R )  1 + R − R x A0 
V = 0
ln 

k
 (1 + R )(1 − x A0 ) 
12.3.3. ¿Grafique el volumen V en función de la relación de reciclo R, usando los
datos del problema.
12.3.4. ¿Cuáles son los valores límites del volumen v, cuando R→0 y R→∞?.
Discuta físicamente estos resultados.
13. ¿En qué condiciones el tiempo de residencia se hace igual al tiempo espacial?
Diseño de Reactores Isotérmicos Ideales
3.4