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PROF. Carlos F. Linares

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UNIVERSIDAD DE CARABOBO

FACULTAD EXPERIMENTAL DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

CÁTEDRA DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE REACTORES

EJERCICIOS DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE

REACTORES

UNIDAD I. CINÉTICA

1.- Calcúlese la velocidad de reacción cuando CA = 10 mol/litro, si -rA = -dCA/dt = 0,2 mol/litro seg

cuando CA = 1 mol/litro.

Nota: Se desconoce el orden de la reacción.

2.- Un líquido A se descompone de acuerdo con una cinética de primer orden, efectuándose la

conversión del 50% de A en 5 minutos. Calcúlese el tiempo adicional necesario para que le

conversión sea del 75%.

3.- Repítase el problema 2 si la cinética es de segundo orden.

4.- Se ha encontrado experimentalmente que en 10 min se convierte en producto el 75% de un

líquido reactante con un orden de reacción igual a 1/2. Calcúlese la cantidad convertida en media

hora.

5.- En un reactor discontinuo, un reactante (CAo = 1 mol/litro) alcanza la conversión del 80% en 8

minutos y se necesitan 18 minutos para que la conversión sea del 90%. Dedúzcase una ecuación

cinética que represente este comportamiento.

6.- Calcúlese el orden global de la reacción irreversible:

2H2 + 2NO N2 + 2H2O

A partir de los siguientes datos a volumen constante, empleando cantidades

equimoleculares de H2 y de NO:

Presión total, mmHg 200 240 280 320 326

Período medio, seg 265 186 115 104 67


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7.- La reacción en fase acuosa A - R + S transcurre de acuerdo con los datos siguientes:

Tiempo, min 0 36 65 100 160

CA , mol/litro 0,1823 0,1453 0,1216 0,0795 0,0494

CAO = 0,1823 mol/litro

CRO = 0

CSO = 55 mol/litro

Deduzca la ecuación cinética.

8.- Para la reacción del ácido sulfúrico con sulfato de dietilo en disolución acuosa:

H2SO4 + (C2H5)2SO4 --- 2C2H5SO4H

Se dispone de los siguientes datos a 22,9 ºC:

Tiempo, min Conc. de C2H5SO4H Tiempo, min Conc. de C2H5SO4H

0 0 180 4,11

41 1,18 194 4,31

48 1,38 212 4,45

55 1,63 267 4,86

75 2,24 318 5,15

96 2,75 368 5,32

127 3,31 379 5,35

146 3,76 410 5,42

162 3,81 (5,80)

Las concentraciones iniciales de H2SO4 y (C2H5)SO4 son 5,5 mol/litro. Deduzca una ecuación

cinética para esta reacción.

9.- Una pequeña bomba de reacción, equipada con un dispositivo sensible para la medida de

presión se evacua y después se llena de reactante A puro a la presión de 1 atm. La operación se

efectúa a 25ºC, temperatura lo suficiente baja para que la reacción no ocurra en extensión

apreciable.

Se eleva la temperatura lo más rápido posible hasta 100ºC sumergiendo la bomba en agua

hirviendo, obteniendo los datos de la tabla mostrada a continuación. La ecuación estequiométrica

para la reacción es 2A B , después de permanecer la bomba en el baño bastante tiempo, se

efectúa un análisis para saber la cantidad de A y se encuentra que ese componente ha


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desaparecido. Deduzca la ecuación cinética que se ajusta a estos datos, expresando las unidades

en mol, litro y minuto.

Tiempo, min T, atm Tiempo, min T, atm

1 1,14 7 0,850

2 1,04 8 0,832

3 0,982 9 0,815

4 0,940 10 0,800

5 0,905 15 0,754

6 0,870 20 0,728

10.- Determínese la ecuación cinética completa en unidades de moles, litro y segundos, para la

descomposición térmica del tetrahidrofurano.

o, mm Hg t1/2 , min T, ºC

214 14,5 569

204 67 530

280 17,3 560

130 39 550

206 47 539

11.- Para la reacción 2A B C

Determine k1 y k2 a partir de los siguientes datos:

Tiempo, h CA (mol/lt) CB (mol/lt) CC (mol/lt)

0 1 0 0

0,03 0,76 0,098 0,02

0,06 0,63 0,132 0,06

0,10 0,51 0,14 0,10

0,15 0,39 0,12 0,17

0,20 0,33 0,10 0,24

0,30 0,25 0,05 0,32

12.-La Penicilina (G) reacciona con la hidroxilamina (NH2OH) para formar el ácido hidroxiaminico,

el cual produce un colorante complejo con hierro III. En un tanque de 250 ml a 27°C se mezclaron

k1 k2


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concentraciones iguales de Penicilina y NH2OH. Las muestras fueron tomadas cada 10 minutos y

añadidas a una solución de Hierro III.

Con la ayuda de un calorímetro, se midió la concentración del complejo coloreado, y la

concentración del ácido se obtuvo como una función del tiempo. A continuación se muestran los

datos obtenidos, donde la absorbancia es directamente proporcional a la concentración del ácido:

Tiempo (min) 0 10 20 30 40 50

Absorbancia 0 0,337 0,433 0,495 0,539 0,561 0,685

13.- Los siguientes datos experimentales para dimetil eter en fase gaseosa en un reactor por

cargas a 504ºC, son:

(CH3)2O (g) --- CH4(g) + H2(g) + CO(g)

Tiempo (seg) 0 340 777 1195 3155

Presión total (mmHg) 312 408 480 562 779 931

Determine la expresión de velocidad, probando con al menos dos ordenes para el método

integral y comparando con el método diferencial.

14.- Para el estudio cinético de la hidrólisis del anhídrdo acético a 40ºC se utiliza un balón de vidrio

de 1 litro de capacidad donde se cargan 750 ml de agua destilada. El requerimiento de la reacción

se lleva a cabo por medidas conductimétricas. Luego de instalada la celda en el reactor y conectada

al conductímetro se toma medida de la conductancia, seguidamente se alimentan 5ml de anhídrido,

comenzando la reacción obteniéndose los siguientes datos:

t (min) 0 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 6,0 9,0

(mohs) 0,196 0,275 0,367 0,478 0,55 0,593 0,644 0,668 0,672

La densidad del anhídrido es 0,9 g/ml. Indique todas las suposiciones hechas para la

realización del experimento. Determine la ley de velocidad. la reacción de hidrólisis es:

(CH3CO)2O + H2O - 2CH3COOH


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UNIDAD II. REACTOR POR CARGAS

1) Acetato de butilo se produce en un reactor Batch a 100°C, usando ácido sulfúrico como

catalizador, la alimentación original contiene 4,97 moles de butanol por mol de ácido acético, y la

concentración del catalizador es del 0,032% en peso. Determine:

a) El tiempo requerido para obtener una conversión del 50%.

b) El tamaño del reactor y la masa original de reactivos que deben ser cargados al reactor

para producir el éster a una velocidad de 100 lbm/h. Si la unidad estará parada 30 min

entre cada batch para descargar, limpiar y cargar de nuevo el reactor.

NOTA: Othmer encontró que la reacción es de 2do orden en ácido acético, cuando se trata de un

exceso de butanol y que para la concentración de catalizador 0,032% la constante de velocidad es:

17,4 ml/mol.min. Asuma la densidad de la mezcla constante e igual a 0,75 g/ml.

PM (éster): 116 g/gmol

PM (butanol): 74 g/gmol

PM (HAc): 60 g/gmol

2) Se tiene un reactor tipo Batch con volumen variable de donde se conocen los siguientes datos:

Volumen inicial 0,15 ft3

Constante de velocidad: 1,0 (ft3/lbmol)2

Temperatura constante de reacción: 140°F

Se encontró que el volumen varía linealmente según la siguiente relación V = 0,1 P, con V

en ft3 y P en atm.

La reacción es: A + B ---- 8C

La ley de velocidad es (-ra) = k Ca2Cb

Si se alimentan igual número de moles de A y B determínese:

a) La tabla estequiométrica.

b) El valor del coeficiente de expansión (Ea).

c) ¿Cuál es la conversión y la velocidad de reacción cuando V = 0,2 ft3?

3) Acetato de Etilo es producido en un reactor por cargas (V=50m3), el cual es cargado con 3,91

kmol/m3 de ácido acético, 10,20 kmol/m3 de alcohol etílico y 17,56 kmol/m3 de agua:


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K1 CH3COOH + C2H5OH <-------> CH3COOC2H5 + H2O

K2

La constante de velocidad directa K1 = 7,93.10-6 m3/kmol.seg y Ke = 2,93 a 100°C, para la

reacción anterior.

Si el tiempo total de carga, descarga y limpieza es de una (1) hora, calcular:

a.- Tiempo de reacción para una máxima producción por unidad de tiempo para el acetato de etilo.

b.- La cantidad en Kg de acetato de etilo producida en un día de operación.

4) Propilenglicol es producido por hidrólisis catalizada con ácido sulfúrico de óxido de propileno:

(CH2 – CH2)OCH3 + H2O --------- CH2(OH)-CH2(OH)-CH3

La reacción es de primer orden en óxido de propileno y orden cero (aparente) en exceso de

agua con una constante específica de velocidad:

K = Ae(-E/RT) = 16,96.1012e(-32400/RT) (1/h)

Las unidades de E son en btu/lbmol. Se dispone de un reactor por cargas aislado de 10 gal

recubierto internamente de vidrio. El reactor se carga con 1 galon de una mezcla equivolumétrica

de óxido de propileno – metanol y 5 gal de agua conteniendo 0,1% en peso de ácido sulfúrico. La

temperatura inicial de todos estos materiales es 58°F. ¿ Cuántos minutos tomará alcanzar una

conversión de 51,5%?. El (-Hr)= -36450 btu/lbmol a una temperatura de 58°F. (Reacción

exotérmica).

NOTA: Es necesario contar con los siguientes datos fisicoquímicos de las sustancias involucradas:

peso molecular, densidad y capacidad calorífica.

5) La reacción en fase líquida A-------B es llevada a cabo en un reactor por cargas a una presión

constante de 2 atm. La alimentación contiene A puro a una temperatura de 200°C. El calor de la

reacción a 200°C es de –15 kj/kmol. El calor específico molar de A y B es de 42 j/kmol.K. La

constante de velocidad está dada por la siguiente expresión:

k = 110 + 0,8 (T-200) ; T en °C y k = K seg-1

El reactor opera adiabáticamente y permite una temperatura máxima de 400°C, por lo que

es posible considerar una sección de enfriamiento en caso de que la temperatura exceda dicho

valor. Si se desea una conversión del 80% ¿Será necesario considerar una sección de

enfriamiento?. En dicho caso, ¿cuál será el tiempo de reacción para obtener dicha conversión y

mantener esta sección del reactor en operación isotérmica a 400°C?.


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6) Se requieren producir 12.000 kg/día de acetato de etilo en un reactor por cargas isotérmico a

partir de la siguiente reacción:

K1

CH3COOH + C2H5OH <-------> CH3COOC2H5 + H2O K2

Donde: k1 = 8.0x10-6 y k2 = 2.7x10-6 (m3/kmol.s)

La carga inicial al reactor contiene una solución acuosa de etanol de 550 kg/m3 y ácido

acético 300 kg/m3. El tiempo total para la carga, descarga y limpieza del reactor es de 45 min. Si la

densidad de la mezcla reaccionante permanece constante e igual a 1145 kg/m3. Calcular el

volumen del reactor necesario, trabajando con una conversión fraccional del 40%.

7) La hidrólisis en fase líquida de las soluciones acuosas diluídas del anhídrido acético es de 2do

orden e irreversible como lo indica la reacción siguiente:

(CH3CO)2º + H2O ----- 2CH3COOH

Se dispone de un reactor por cargas para llevar a cabo la hidrólisis. Este es cargado con

200 litros de solución anhídrida a 15°C y concentración 2,16.10-4 gmol/cm3. El calor específico y la

densidad de la mezcla de reacción se consideran constantes e iguales a Cpm= 91,8 cal/gmol.K y

=1,05 g/cm3.

El calor de reacción se puede asumir constante e igual a (-Hr)=50000 cal/gmol.

Si el reactor es enfriado para que la reacción sea isotérmica a 15°C. ¿Qué tiempo se

requerirá para obtener una conversión del 70%?.

8.- La reacción y constante de velocidad para la acidificación de la solución acuosa de propianato

de sodio son:

K1 C2H5COONa + HCl ----- NaCl + C2H5COOH

K2

K1 = 0,0236 l/gmol.min

K2 = 0,00148 l/gmol.min

La carga inicial del reactor contiene 453,59 kg de la sal de propianato y 177 kg de HCl por

cada 1541 L. Se asume una densidad constante de 1186,3 g/l. Determine el volumen requerido

para una conversión del 75% de la sal para lograr una producción promedio de 450 kg/h del ácido

propiónico si el tiempo de llenado, vaciado y limpieza es de 30 min.


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UNIDAD III. REACTOR FLUJO PISTÓN (PFR)

1.- La descomposición de la fosfina en fase gaseosa homogénea transcurre a 350°C según la

reacción:

4PH3(g) ------ P4(g) + 6 H2

Con una ecuación cinética de primer orden:

(-rPH3) = (10/hr) CPH3

Calcúlese el tamaño del reactor en flujo pistón, si las condiciones de operación son de

650°C y 4,6 atm; la conversión ha de ser del 80%, y la alimentación es de 1800 gmol de fosfatina

pura por hora.

2.-Se ha encontrado que la velocidad de la reacción A ------ 3H en fase gaseosa homogénea a

215°C, es: (-rA) = 10-2 CA1/2 [mol/L.s]. Calcúlese el tiempo espacial necesario para alcanzar la

conversión del 80% a partir de una alimentación del 50% de A y 50% de inertes, en un reactor de

flujo pistón que opera a 215°C y 5 atm (CAo= 0,0625 moles/L).

3.- Se ha calculado que el tamaño de un reactor de flujo en pistón necesario para un fin

determinado (99% de conversión de la alimentación de A puro) es de 32 L. Suponiendo que la

estequiometria es A ------ R para una reacción de primer orden en fase gaseosa. Sin embargo, la

estequiometria de la reacción es A ---- 3R. Calcúlese el volumen de reactor necesario para la

estequiometria correcta.

4.- La reacción homogénea en fase gaseosa A ---- 3R, se ajusta a una cinética de segundo

orden. Para un caudal de alimentación de 4 m3/h de A puro a 5 atm y 350°C se obtiene una

conversión del 60% de la alimentación en un reactor experimental constituido por un tubo de 2,5

cm de diámetro y 2 m de longitud. En una instalación comercial se han de tratar 320 m3/h de una

alimentación constituida por 50% de A y 50% de inertes, a 25 atm y 350°C para obtener una

conversión del 80%.

a) ¿Cuántos tubos se necesitan de 2,5 cm de diámetro y 2 m de longitud?.

b) ¿Deben situarse en serie o paralelo?.

Supóngase flujo en pistón, desprecie la pérdida de presión, y admítase que el gas presenta

comportamiento ideal.


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5.- La siguiente data de conversión fue obtenida en un PFR para la pirólisis de la acetona a 520°C y

1 atm

La reacción es: CH3COCH3 ----- CH2 = C = O + CH4

MA (g/h) 130 50 21 10,8

XA 0,05 0,13 0,24 0,35

El reactor tiene 80 cm de largo y un diámetro de 3,3 cm. ¿Cuál es la ecuación de velocidad

sugerida para esta data?

6.- La descomposición del ácido fórmico en fase gaseosa fue estudiada en un reactor tubular:

HCOOH (g) --------- H2O(g) + CO (g)

En una corrida de velocidad especial resultó 1,29 min-1 para una conversión del 60% del

ácido. El reactor opera isotérmicamente a 150°C y 1 atm, y la alimentación es ácido puro. La

velocidad espacial está basada en una medida de o a condiciones estándar (0°C y 1 atm).

Determine:

a) El tiempo de residencia media ().

b) ¿Cómo se compara () con el valor o, cuando o esta basada en la temperatura del

reactor?

La velocidad de descomposición a 150°C es irreversible y de 1 er orden con K = 2,46 min-1.

7.- La reacción elemental en fase líquida: A + B ---- C , es llevada a cabo en un reactor de

500 dm3. La concentración de entrada de A y B en forma de vapor es de 2 molar (igual para

ambas) y la velocidad específica de reacción es 0,01 dm3/mol.min.

a) Calcule el tiempo de reacción necesario para alcanzar un 90% de conversión si es un

reactor batch.

b) Asuma una alimentación estequiométrica de 10 mol de A/min en un reactor de flujo

pistón y calcule el volumen del reactor y el tiempo espacial para llegar a una conversión

del 90%.

8.- La reacción elemental en fase gaseosa: A -- 3B , se lleva a cabo en un reactor PFR. La

velocidad específica de reaccióna 50°C es 10-4 min-1 y la energía de activación es 85 kJ/mol. A entra

en forma pura al reactor a 10 atm y 127°C, con una velocidad de flujo molar de 2,5 mol/min.

Calcule el volumen del reactor y la velocidad espacial para alcanzar un 90% de conversión. Calcule

el tiempo necesario para alcanzar un 90% en un reactor tipo batch a volumen constante.


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Asuma que la reacción es reversible con una Ke= 0,04 y calcule la conversión de equilibrio.

Determine el volumen y tiempo espacial en un PFR y el volumen en un reactor batch, si se quiere

alcanzar una conversión del 98% del valor de equilibrio.

9.- Se desea llevar a cabo la reacción en fase gaseosa A ---- B, en reactores tubulares que

consisten en 50 tubos paralelos de 40 ft de largo cn diámetro interno igual a 0,75 plg.

El experimento a escala de laboratorio determinó que la constante de velocidad para la

reacción de primer orden es 0,00152 s-1 a 300°F.

¿A qué temperatura debe ser operado el reactor para alcanzar una conversión de un 80% en A con

una velocidad de alimentación de 500 lbm/h de A puro y operando a una presión de 100 psig?. A

tiene un peso molecular de 73. Puede asumir gas ideal.

10.- En un reactor de flujo pistón reacciona la sustancia A de acuerdo con una cinética de segundo

orden alcanzando una conversión del 95%. Se adquiere un segundo reactor análogo al primero.

Calcúlese el aumento en la capacidad de la instalación para la misma conversión si estas unidades

se conectan en serie o paralelo.

11.- La reacción A ---- B, es llevada a cabo en un reactor tubular. La información cinética esta

dada por:

K1 = 2,95x107 exp(-11600/RT) min-1

K2 = 1,57x1018 exp(-29600/RT) min-1

Durante el diseño del reactor, el responsable del proyecto, utilizó la siguiente información

para la alimentación:

Flujo molar alimentado: 1000 gmol/min

Concentración de la alimentación: 1 gmol/L.

Temperatura de la alimentación: 30°C.

El reactor construido tiene una longitud de 11m y un diámetro de 0,5 m. El coeficiente global de

transferencia de calor es de 2 cal/m2.K.min, y la temperatura del medio externo puede considerarse

igual a 25°C, la capacidad calórica media es de 250 cal/gmol °C, y el calor de reacción de

18000cal/gmol.

Sin embargo, una vez puesto en marcha el reactor, un análisis del producto de salida

determinó la presencia de un subproducto S. Luego de investigar las causas de este hecho, se

determinó que al exceder la temperatura en el reactor de 60°C, se origina una reacción secundaria,

resultando un esquema de reacción del tipo:


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A -- R

A -- S

Con K3 = 6x107exp(-11600/RT) min-1.

Determine:

a) ¿A partir de qué posición en el reactor se inicia la formación del subproducto S?

b) ¿En qué porcentaje variará la conversión en el reactor, respecto al valor esperado

inicialmente por el responsable del proyecto?.

UNIDAD IV. REACTOR TANQUE DE MEZCLA COMPLETA

(CSTR)

1.- En el proceso de obtención de Hexamina a partir de amoníaco y formaldehído, por medio de la

reacción:

4NH3 + 6 HCHO ---- (CH2)6N4 + 6H2O

La cinética de la reacción esta dada por:

(-ra) = k CACB2 ; (gmol/L.seg)

y k = 1,42x103 e(-3090/T) (seg-1)

El amoníaco y el formaldehído son alimentados cada uno a un flujo de 1,5 litro/seg y

concentraciones de 4,06 gmol/L y de 6,32 gmol/L respectivamente. La temperatura de operación es

de 36°C. Determine la capacidad requerida de un CSTR, si la conversión deseada es del 80%.

2.- El reactante A desaparece mediante una reacción irreversible A ------ R, que obedece a una

cinética de primer orden, dada por: (-rA) = k.CA.

Considerando la posibilidad de utilizar uno o tres reactores de mezcla completa en serie,

con una temperatura de operación en cada uno de ellos de 163°C y que la corriente de

alimentación consiste en A puro a 20°C. Determine el volumen necesario y los requerimientos de

transferencia de calor, en cada caso, si se desean producir 2 millones de libras de R en 7000 horas

de operación, operando con una conversión final del 97%.

Datos Adicionales:

Calor de reacción: -83 cal/g

PM(R)= 250

PM (A)= 200

K a 163°C =0,8 min-1


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Cp(A) = Cp (R) = 0,5 cal/g. °C

A = 0,9 g/cm3

3.- En una serie de reactores de mezcla completa se hacen reaccionar 2,2 kg/h de etanol con 1,8

kg/h de ácido acético. Cada reactor tiene una capacidad de 0,01 m3 y la reacción es llevada a cabo

a 100°C, la constante de velocidad para la reacción de esterificación es de 4,76 x 10-4 L/gmol.min.

La densidad de la mezcla es de 864 kg/m3. Determinar el número de reactores para una conversión

del 60% en el ácido.

La reacción es:

C2H5OH + CH3COOH ----- CH3COOC2H5 + H2O

Ke= 2,26

Utilice el método gráfico.

4.- En un reactor de mezcla completa se convierte el reactante A en un 90% mediante una

reacción irreversible de segundo orden (2A -------- B). Se pretende instalar un segundo reactor

similar al primero y en serie con él. Tratando el mismo volumen de alimentación con iguales

condiciones de concentración. ¿Cómo afectará esto la conversión final?.

5.- A usted se le ha pedido señalar la ampliación del proceso actual para obtener un aumento de la

capacidad de producción del compuesto B. El proceso existente consiste en dos tanques de mezcla

completa en serie. La reacción que se produce es la siguiente:

2A ----- B + C

Desafortunadamente, los datos originales para la constante de velocidad fueron

extraviados, aunque se cree que con la siguiente información de planta se puede determinar su

valor.

Volumen 1er reactor: 30 gal.

Volumen 2do reactor: 40 gal.

Conversión fraccional 1 er reactor: 0,6

Conversión fraccional proceso : 0,8

Caudal volumétrico alimentado: 900 gal/h

La reacción es de segundo orden en A.

6.- Una reacción orgánica en fase líquida, elemental e irreversible:


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A + B ---- C

Es llevada a cabo en un reactor de flujo pistón. La alimentación consta de igual moles de A y B a

27°C y con una rata de flujo volumétrico de 2 dm3/seg.

a) Calcule el volumen de un CSTR necesario para lograr 85% de conversión, cuando la

reacción es llevada a cabo adiabáticamente.

b) ¿Cuál es la máxima temperatura de entrada, que se podría tener sin que se exceda el

punto de ebullición del líquido (550 K) aún teniendo conversión completa?.

c) Calcular la conversión que se puede lograr en un reactor CSTR de 500 dm3.

Datos adicionales:

H°A (273 K) = -20 Kcal/mol

H°B (273 K) = -15 Kcal/mol

H°C (273 K) = -41 Kcal/mol

CAo =0,1 Kmol/dm3

CpA = CpB = 15 cal/ mol.K

K = 0,01 dm3/ mol.seg a 300 K

E = 10.000 cal/mol.

7.- Una compañía tiene dos reactores de mezcla completa de distinto tamaño para la producción

de un producto específico obtenido por una reacción homogénea de primer orden. ¿Cuál de las dos

asociaciones permite alcanzar la velocidad de producción máxima?.

8.- Se planea hidrolizar anhídrido acético en tres reactores de tanque de mezcla completa

operando en serie. La alimentación fluye al primer reactor (1 L) a una velocidad de 400 cm3/min. El

segundo y el tercer reactor tienen volúmenes de 2 y 1,5 L, respectivamente. La temperatura es

25°C y en estas condiciones, la constante de velocidad irreversible y de primer orden es 0,158min1.

Use un método gráfico para calcular la fracción hidrolizada en el efluente del tercer reactor.

9.- Una reacción irreversible de primer orden (en fase líquida) se lleva a cabo en un reactor

continuo de tanque con agitación (CSTR). La densidad es 1,2 g/cm3 y el calor específico es

0,9cal/g. °C. La velocidad volumétrica de flujo es 200 cm/seg, y el volumen del reactor es 10 L. La

constante de velocidad es K = 1,8x105 e-12000/RT (seg-1) donde T esta en grados K. Si el calor de

reacción es H = -46000 cal/gmol y la temperatura de la alimentación corresponde a 20°C, ¿Cuáles

son las posibles temperaturas y conversiones para una operación adiabática estable a una

concentración de la alimentación igual a 4.0 gmol/L?.


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10.- Una corriente de A con concentración de 24.03 gmol/l es alimentada a un flujo de 2831,7 l/h a

un reactor contínuo de mezcla completa donde se produce la reacción:

2A C + D

La constante directa de la reacción es de 0,4162 m3/kmol.h y la constante de equilibrio K=

16.0.

a) Calcular el volumen del reactor para una conversión del 80% a la del equilibrio.

b) Si los reactores están limitados en tamaño a 1/10 del volumen del aporte indique ¿Cuántos

reactores en serie de mezcla completa son necesarios?

11.- Para la siguiente reacción reversible exotérmica: A B, cuya expresión de velocidad está

dada por:

Reacción directa:

Ko1= 2.95x107 min-1 Ea1= 11600 cal/mol

Reacción Inversa:

Ko2= 1.57x1018 min-1 Ea2= 29600 cal/mol

Se propone utilizar dos tanques de mezcla completa en serie con capacidad de 750 litros

cada uno. Al sistema se alimenta una corriente de 100l/min, con una concentración de A de 2

gmol/l (la alimentación no contiene B). Si se conserva la misma temperatura en ambos reactores.

Cuál debe ser la temperatura de operación del sistema para garantizar una máxima conversión?

12.- En una serie de reactores de mezcla completa se hacen reaccionar 2.2Kg/h de Etanol con 1.8

Kg/h de ácido acético a 100°C mediante la reacción:

C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2O

Las constantes de velocidad K1: 4.76x10-4 l/gmol.min y K2:1.63x10-4 l/gmol.min fueron de

terminadas a 100°C para la reacción. Si cada reactor de la serie tiene una capacidad de 0.01 m3, y

la densidad de la mezcla es de 864 Kg/m3. Determinar el número de tanques para lograr una

conversión del 60% del ácido.

UNIDAD V. OPTIMIZACIÓN

1.- Se tiene la siguiente reacción irreversible, homogénea y elemental a 1660ºR.

A---- B


15

La velocidad específica está dada por la siguiente ecuación lnK = 34,56-5,35x104/T, la T en

ºR. La constante viene expresada en h-1.

A es alimentado a dos RTMC. El primer reactor tiene un volumen de 250 pie3 y el segundo

de 300 pie3. El flujo molar de A inicial es de 2 lbmol/h y su concentración es de 1,49x10-4

lbmol/pie3.

a) Determine la conversión final de A.

b) Si el segundo reactor fuese un PFR ¿Cuál es la conversión final?.

c) Si se tiene un solo RTMC. ¿Cuál es la conversión final?

d) Compare y discuta el resultado obtenido en a, b y c. Diga cual es la alternativa más conveniente.

2.- 800.000 kg de Z son producidos a partir de la siguiente reacción X+Y ---- 2Z con K= 0,002

L/gmol.s.

Utilizando un reactor de mezcla completa, encontrar el tamaño óptimo del reactor sobre la base de

un costo mínimo.

Datos adicionales:

Costo de reactantes: X= 8 $/Kg Y= 0,02 $/Kg

Peso molecular de reactantes y producto: X= 40 Y=80 Z= 60

Concentración de la alimentación: X= 9 g/L Y= 15 g/L.

Costo de operación: 15$/año.galon del reactor.

Horas de operación: 7200 h/año.

3.- Para la descomposición de A, de acuerdo a: R

A S

T

rR= 1,0

rS= 2Ca

rT=Ca2

Cao= 1,0

Calcular el máximo valor de CR y la conversión requerida si se utiliza:

a) Un reactor de flujo pistón.

b)Un reactor de mezcla completa

c) Dos tanques en serie y una conversión del 90% en A.


16

4.- Una corriente de 100 kmoles de A/h con una concentración de 0,1 kmol/L se hace reaccionar

con un reactante B por medio de la reacción:

A + B ------- R + S K= 5 L/kmol . h

La cantidad de R producida es de 95 kmol/h. El efluente del reactor es tratado en una torre

de separación, recuperando la totalidad de R, mientras que A y B son desechados; por

consiguiente, no se utiliza recirculación de los reactantes. Calcúlese el tamaño óptimo del reactor

así como la composición de la alimentación para el proceso.

Datos adicionales:

Costo de B: 100 $/kmol

Costo de funcionamiento: 1,10 $/h litro para flujo en pistón.

0,30 $/h litro para mezcla completa.

5.-Una reacción no elemental en fase gaseosa irreversible:

A + 2B ------- C

Es llevada a cabo isotérmicamnte en un reactor batch a presión constante.

La alimentación esta compuesta por 60% de B y 40% de A a 227°C y 1013 kPa.

La data de laboratorio obtenida es:

(-rA) (mol/dm3.s) x 108 0,01 0,005 0,002 0,001

X 0,0 0,2 0,4 0,6

a) Estime el volumen de un PFR requerido para lograr 30% de conversión a una rata de flujo

volumétrico de 2 m3/min.

b) Estime el volumen de un CSTR colocado en serie con el PFR de la parte (a) donde se logra

50% de la conversión (referida a la alimentación del PFR).

c) ¿Cuál sería el volumen total de los dos reactores?

d) ¿Existe una configuración que permita aumentar la conversión, cuál sería y en cuánto se

podría incrementar?.

6.- Se trata el reactante A en un reactor de mezcla completa de 20 L, descomponiéndose del modo

siguiente:

A ----- R, rR = k1CA = (4/h)CA

A ----- S, rS = k2CA = (1/h)CA


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Calcúlese el caudal de alimentación y la conversión del reactante para que el beneficio

global sea máximo. ¿Cuál es este beneficio tomando como base una hora?.

Datos adicionales: La materia prima A cuesta 75 ptas/mol para CAO = 1 mol/L; el producto R se

vende a 375 ptas/mol y S no tiene valor apreciable. El coste total de funcionamiento del reactor y el

de la instalación a separar los productos es de 1875 ptas/hora + 95 ptas/mol de A que entra al

reactor. El A no convertido no se recircula.

7.- Los productos químicos A y B reaccionan del modo siguiente:

A + B ---- R rR= k1CACB = (68,8 L/h. mol) CACB

2B ---- S rS = K2CB2 = (34,4 L/h. mol) CB

2

En esta reacción se producen 100 moles de R/hora a un coste mínimo en un reactor de

mezcla completa. Calcúlense los caudales de alimentación de A y B empleados y el tamaño

necesario del reactor.

8.- La reacción por la cual se forma R es A ------- R, cuya ecuación cinética es:

(-rA) = (0,01 L/mol.h) CACR

Partiendo de una alimentación de A puro (100 mol/L; 7,50 ptas/mol) se producen 1000 mol de R/h,

usando un solo reactor de mezcla completa o un reactor de mezcla completa seguido de un

separador de A-R, en cuyo caso el A sin reaccionar puede recircularse y volverse a utilizar. El

separador opera por un proceso de extracción, el cual, por un equilibrio de fase favorable, produce

corrientes de A y R prácticamente puras. Su costo es 600 ptas/hora + 7,5 ptas/Litro de fluido

tratado. El costo horario del reactor de mezcla completa es de 600 ptas + 0,75 ptas/litro de

reactor. Supóngase que la densidad de todas las mezclas de A y R es constante. ¿Qué sistema, el

reactor solo o el reactor con separador, es más económico; cuál es el costo unitario del producto R

en cada caso?.

9.- Considerando el esquema de las reacciones elementales:

k1 k2

A --- R --- S (deseado)

k3 T

k1 = 10e-3500/T (seg-1) // k2 = 1012 e-10500/T (seg-1) // k3 = 108 e-7000/T (seg-1)


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La alimentación se compone de A e inertes, CAO = 1 mol/L, siendo el intervalo de temperaturas de

7 a 77ºC.

a) Calcúlese la cantidad máxima de S que puede obtenerse por cada mol de A y qué tipo de reactor

debe emplearse y cuál es la temperatura de la operación para conseguirlo.

b) Determínese el tiempo mínimo de permanencia en el reactor para obtener el 99% de Cs máx.

10.-Las siguientes reacciones irreversibles de primer orden se verifican a densidad constante:

k1 k2

A --- B --- C

K1= 0,15 min-1 // K2 = 0,05 min-1

Este sistema reaccionante se va a estudiar en reactores de flujo continuo con una velocidad de flujo

volumétrico de 5 pies3/min y una composición de la alimentación de [A] = [A]O y [B] = [C] = 0.

¿Cuál de los siguientes reactores es el preferible para una velocidad máxima de producción de B?

a) Un tanque con agitación de volumen V = 10 pies3.

b) Dos tanques con agitación en serie, cada uno con un volumen de 5 pies3.

c) Dos tanques con agitación en paralelo, cada uno con un volumen de 5 pies3 y la corriente

de alimentación dividida en partes iguales para los dos reactores.

d) Un reactor PFR con un volumen de 10 pies3.

11.- En un reactor de tanque con agitación de volumen V se lleva a cabo una reacción a densidad

constante. La reacción es de primer orden e irreversible, con una constante de velocidad k1. La

velocidad de alimentación volumétrica es Q. Bajo estas condiciones, la conversión en la corriente de

producto es X1.

a) Si se recircula la mitad de la corriente de producto y la velocidad de la alimentación

complementaria se reduce a Q/2, ¿Cuál será la nueva conversión en la corriente de

producto? ¿Cuál será la variación de la velocidad de formación de producto?.

b) Si se recircula la mitad de la corriente de producto y se mantiene la velocidad de

alimentación igual a Q, ¿Cuáles serán los efectos en la conversión y en la velocidad de

producción?.

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