ing. reacciones 2

NOMBRE: Diana Villarreal P.

EJERCICIO # 1(Libro: Octave Levenspiel, Ingeniería de la Reacciones Químicas; Capítulo 2, Ejercicio 2-19.)

Reacciones enzima sustrato. En este caso, un reactante denominado sustrato se convierte en producto por la acción de una enzima, una sustancia de peso molecular elevado (p.m.>10000) análoga a una proteína. Una enzima es altamente específica catalizando solamente una reacción particular o un grupo de reacciones. Así tenemos:

EnzimaA R Ec. 1.-1

La mayor parte de estas reacciones presenta las siguientes características cinéticas:

1. La velocidad es proporcional a la concentración de la enzima introducida en la mezcla (Eo).

2. Para concentraciones bajas del reactante la velocidad es proporcional a la concentración del reactante.

3. Para concentraciones altas de reactante la velocidad es independiente de la concentración de reactante.

Michaelis y Menten (1913) fueron los primeros en explicar este comportamiento general con el mecanismo siguiente:

k1A + E (A.E)* Ec. 1.-2

k2

(A.E)* R + E Ec. 1.-3

La característica particular de este modelo consiste en suponer que la concentración del producto intermedio puede ser apreciable, en cuyo caso la enzima total está distribuida como sigue:

= + Ec. 1.-4

Como la concentración de la enzima no puede determinarse fácilmente, dedúzcase la ecuación cinética para esta reacción en función de y y demuéstrese que explica el comportamiento observado. En el desarrollo utilícese la aproximación del estado estacionario.

= Concentración de la enzima introducida en la mezcla

Mecanismo: Productos intermedios moleculares, sin mecanismo en cadena.

Ec. 1.-5 Ec. 1.-6


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 º C se obtiene una conversión del 60 % de la alimentación en un reactor experimental constituido por un tubo de 2,5 centímetros de diámetro y 2 metros 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 º C para obtener una conversión del 80 %.

¿Cuántos tubos se necesitan, de 2,5 centímetros de diámetro y 2 metros de longitud?

Supóngase flujo en pistón, despréciese la pérdida de presión, y admítase que el gas presenta comportamiento ideal.

-rA = kCA2 Ec. 2.-1

Ec. 2.-3 Ec. 2.-4

Ec. 2.-5

Ec. 2.-6

Ec. 2.-7

Ec. 2.-8


Se han obtenido los datos de la tabla 5-P15 en la descomposición de reactante A en fase gaseosa en un reactor discontinuo de volumen constante a 100 º C.La estequiometría de la reacción es 2A R + S. calcúlese el tamaño de reactor de flujo en pistón (en litros) para que, operando a 100 º C y 1atm, pueda tratar 100 moles de A/h de una alimentación que contiene 20 % de inertes, para obtener una conversión del 95 % de A.

Tabla 5-P15 -1t, s pA, atm t, s pA, atm0 1.00 140 0.2520 0.80 200 0.1440 0.68 260 0.0860 0.56 330 0.0480 0.45 420 0.02100 0.37

Ec. 3.-1

Ec. 3.-2

Ec. 3.-3

Cálculo Modelo para t = 20s; pA = 0,80 atm y 100 ºC

Para PFR

Ec. 3.-4

Ec.3.-5

Para una conversión del 95 %

Tabla 3. –1 Calculost, s pA, atm0 1.00 - - -20 0.80 0.0261 0.20 0.2540 0.68 0.0222 0.32 0.4760 0.56 0.0183 0.44 0.7880 0.45 0.0147 0.55 1.22100 0.37 0.0121 0.63 1.70140 0.25 0.0082 0.75 2.99200 0.14 0.0046 0.86 6.12260 0.08 0.0026 0.92 11.46330 0.04 0.0013 0.96 23.93420 0.02 0.0007 0.98 48.86

Diagrama (x/1-x)=f(t)

y = 0,0004x2 - 0,0704x + 3,1978

R2 = 0,9928

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500

t,s

x/1-

x

Ver el archivo: Hoja de Excel L.5-15

EJERCICIO # 4(Libro: H. Scout Fogler, Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, Capítulo 2, Ejercicio 1)

Sin remitirse al texto haga una lista de las cosas más importantes que aprendió en este capítulo. Según usted, ¿cuál fue el propósito general del capítulo?

Se aprendió a:

a) Definir el parámetro conversión y reescribir los balances de moles en términos de conversión.

b) Demostrar que si expresamos –rA en función de la conversión, podemos dimensionar diversos reactores y sistemas de reacción, o calcular una conversión a partir de un tamaño de reactor dado.

c) Relacionar las velocidades de reacción relativas de los reactivos y los productos.

El propósito general del capítulo es:

Enseñar a dimensionar un reactor (determinar el volumen de reactor necesario para lograr una conversión dada) en función de la relación que existe entre la velocidad de reacción y la conversión.


Calcule la conversión y las concentraciones en el equilibrio para cada una de las reacciones siguientes:

(a) La reacción en fase líquida

A + B C Ec. 5.-1

Con CAo = CBo = 2 mol/dm3 y Kc = 10dm3/mol

(b) la reacción en fase gaseosa

A 3 C Ec. 5.-2

Efectuada en un reactor de flujo sin caída de presión. Se alimenta A puro a una temperatura de 400 K y 10 atm. A esta temperatura, Kc = 0,25dm3/mol2

(c) La reacción en fase gaseosa de la parte (b) efectuada en un reactor por lotes de volumen constante.

(d) La reacción en fase gaseosa de la parte (b) efectuada en un reactor por lotes de presión constante.

5.1. Literal (a)

Ec. 5.1.-1

Ec. 5.1.-2

Ec.5.1.-3

Ec. 5.1.-4

Ec. 5.1.-5

Ec. 5.1.-6

5.2. Literal (b)

Ec. 5.2.-1

Ec. 5.2.-2

Ec. 5.2.-3

Ec. 5.2.-4

Ec. 5.2.-5

5.3. Literal (c)

Ec. 5.3.-1

Ec. 5.3.-2

Ec. 5.3.-3

Ec. 5.3.-4

Ec. 5.3.-5

Ec.5.3.-6

5.4. Literal (d)

Ec. 5.4-1

Ec. 5.4.-2

Ec. 5.4.-3

Ec. 5.4.-4

Ec. 5.4.-5


La reacción en fase gaseosa entre el cloro y el metano para formar tetracloruro de carbono y ácido clorhídrico se efectuará a 75 º C y a 950 kPa en un reactor de flujo continuo. La presión de vapor del tetracloruro de carbono a 75 º C es aproximadamente 95 kPa. Prepare una tabla estequiométrica para esta reacción con cambio de fase. Calcule la conversión del metano en la que se inicia la condensación. Grafique las concentraciones y las velocidades de flujo molar de cada especie, así como la velocidad de flujo molar total, en función de la conversión para una alimentación estequiométrica. La velocidad de flujo volumétrico es de 0,4 dm3/s.

CH4 (g) + 4Cl2 (g) CCl4 (g, l) + 4HCl (g) Ec. 6.-1 A B C D

Tomando como base la especie A:

Tabla 6.-1.- Tabla estequiometricaEspecie Entra Cambio Antes de la

condensaciónDespués de la condensación

A(g) FAo -FAoX FA=FAo(1-X) FAo(1-X)B(g) FBo=4FAo -4FAoX FB=FAo(4-4X) FAo(4-4X)C(g) - FAoX FC=FAoX FC=Yc,eFTD(g) - 4FAoX FD=4FAoX 4FAoX

FTo=5FAo FT=5FAo FT=5FAo-FAoX+ Yc,eFT

Ec. 6.-2

Ec. 6.-3

Ec. 6.-4

Ec. 6.-5

Antes de la condensación

Ec. 6.-6

Ec. 6.-7

Ec. 6.-8

Ec. 6.-9

Puesto que la temperatura y la presión son constantes, la concentración total es constante.

Ec. 6.-10

Después de la condensación

Ec. 6.-11 Ec. 6.-12

Ec. 6.-13

Ec. 6.-14

Ec. 6.-15

Ec. 6.-16

Ec. 6.-17

En la construcción de los diagramas se utilizan las ecuaciones anteriores, asumiendo valores de conversión.

Antes de la condensación

Después de la condensación

Tabla 6.-2.-Cálculos para construcción de diagramas

Antes de condensaciónDespués de

condensaciónx CA CB CA CB FC(g) FC(l) FT

0,0 0,066 0,264 0,059 0,238 0,015 -0,015 0,1450,1 0,059 0,238 0,055 0,218 0,014 -0,012 0,1420,2 0,053 0,211 0,050 0,198 0,014 -0,009 0,1390,3 0,046 0,185 0,044 0,177 0,014 -0,006 0,1360,4 0,040 0,158 0,039 0,155 0,013 -0,003 0,1330,5 0,033 0,132 0,033 0,132 0,013 0,000 0,1310,6 0,026 0,106 0,027 0,108 0,013 0,003 0,1280,7 0,020 0,079 0,021 0,083 0,013 0,006 0,1250,8 0,013 0,053 0,014 0,057 0,012 0,009 0,1220,9 0,007 0,026 0,007 0,029 0,012 0,012 0,1191,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,012 0,015 0,116

Diagrama CA antes de condensación=f(x)

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,0 0,5 1,0 1,5

x

CA

Diagrama CB antes de condensación=f(x)

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,0 0,5 1,0 1,5

x

CB

Diagrama CA después de condensación=f(x)

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,0 0,5 1,0 1,5

x

CA

Diagrama CB después de condensación=f(x)

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,0 0,5 1,0 1,5

x

CB

Diagrama FC(g)=f(x)

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

0,0 0,5 1,0 1,5

x

FC

(g)

Diagrama FC(l)=f(x)

-0,020

-0,015

-0,010

-0,005

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,0 0,5 1,0 1,5

x

FC

(l)

Diagrama FT=f(x)

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

0,160

0,0 0,5 1,0 1,5

x

FT

Ver el archivo: Hoja de Excel F.3-21


Invente y resuelva un problema original que ilustre los principios de este capítulo. Vea las pautas en el problema P4-1

Las siguientes reacciones se encontraron que ocurrían mientras se intentaba obtener el producto B.

A B -rA1 = k1CA2 Ec. 7.-1

A X -rA2 = k2CA Ec. 7.-2

A + X Y -rA3 = k3CACY Ec. 7.-3

Las especies X y Y son contaminantes.

(a) ¿Cuál es la selectividad instantánea de B con respecto a los contaminantes X y Y?

(b) ¿Cómo se podría llevar a cabo ésta relación para maximizar la formación de B?

Información Adicional:

7.1. Literal (a)

Selectividad de B con respecto a X y Y

Ec. 7.1-1

7.2. Literal (b)

Para maximizar la formación de B, SBx, y debería maximizarse, para esto:

CA alta Usar PFR Baja Temperatura


El presente ejercicio se lo resolvió sin ayuda del Polymath pero los resultados se deben analizar para compararlos después con el programa. Ya que en uno de los diagramas realizados tenemos concentraciones negativas.

La hidrogenación de benceno (B) se efectúa en un reactor de suspensión CSTR y el producto deseado es ciclohexeno (C)

(1) Ec. 8.-1

+ 2H2

(2)

+ H2 Ec. 8.-2

Las leyes de velocidad para las reacciones (1) y (2) a 403 K son:

Ec. 8.-3

K1 = 0.0264 kPa-1

Ec. 8.-4

K2 = 0.04 kPa-1

130 kPa < PH2 < 2MPa

30 kPa < PC6H6 < 450kPa

La velocidad de flujo molar entrante del benceno es de 2 mol/s y es necesario alcanzar una conversión del benceno de por lo menos un 40 % a 403 K.

B + 2M A Ec. 8.-5

A + M C Ec. 8.-6

Especie B

Ec. 8.-7

Ec. 8.-8

Ec. 8.-9

Especie M

Ec. 8.-10

Ec. 8.-11

Ec. 8.-12

Especie C

Ec. 8.-13

Ec. 8.-14

Ec. 8.-15

Cálculo de las condiciones iniciales

130 kPa < CMRT < 2000kPa

30 kPa < CBRT < 450kPa

Con 403K se tiene: 0.039 < CM < 0.597

Como x ≥ 0.4; CB = CBo (0,6) = 0.134 (0,6) = 0.0804

0.0804 < CB < 0.134

Resolviendo las ecuaciones 8-9, 8-12, 8-15 junto con:

CMo = 0.597 mol/dm3

CBo = 0.1072 mol/dm3

Y condiciones iniciales: CM = 0.318mol/dm3 y CB = 0.0715mol/dm3

Se tiene la siguiente tabla para diferentes (h):

= 0h

Variable CB CM CCValor 0.134 0.597 0

= 0,1h

Variable CB CM CCValor 0.02468 0.0135 0.3092

= 0,2h


= 0,3h


= 0,4h


= 0,5h


= 0,6h


Diagrama C=f(tiempo)

-0,10000

0,00000

0,10000

0,20000

0,30000

0,40000

0,50000

0,60000

0,70000

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

t,h

C, m

ol/l

CM

CB

CC

Ver el archivo: Hoja de Excel F.6-23

Óptimo = 0,45h

Para óptimo: CB = 0.025, Cc = 0.0032 mol/l

-r1B = (0,0204) (2,7) (0,025) (0,0032) (8,314*403)1.5/(1+2,7(0,025*8,314*403))

-r1B = 3,7*10-3

Ec. 8.-16

Ec. 8.-17

Condiciones de operación:

Un CSTR de 216,03 dm3

Con un flujo de alimentación de 480 dm3/h

Para una relación de alimentación de 0.597 mol de H2/dm3 y 0,1072 mol de benceno/ dm3.EJERCICIO # 9(Libro: H. Scout Fogler, Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, Capítulo 6, Ejercicio 27)Este ejercicio no se lo realizo, debido a la complejidad para realizar en el programa POLYMATH

Para las reacciones elementales de van de Vusse

determine el reactor o combinación de reactores que maximizan la cantidad de B que se forma:Información adicional:

Repita para k2 = 0.002 s-1

EJERCICIO # 10(Libro: Smith J.M., Ingeniería de la Cinética Química; Capítulo 2, Ejercicio 2-17.)

Resuelva el problema 2-16 por integración analítica de las ecuaciones diferenciales (en sus formas adimensionales)

2-16. Considere la siguiente secuencia de reacciones:

k1 k2 k3 A B C D Ec. 10.-1

Determine los perfiles de concentración en función del tiempo para A, B, C y D.Ecuaciones de Velocidad

Ec. 10.-2

Ec. 10.-3

Ec. 10.-4

Ecuaciones de velocidades adimensionales del ejercicio 2-16

Condiciones Iniciales: t* = 0; A* = 1 y B* = C* = D* = 0

Reemplazamos estas ecuaciones en las de velocidad e integrando se tiene:

Especie A:

Ec. 10.-6

Ec. 10.-7

Ec. 10.-8

Especie B:

Factor integrante:

Ec. 10.-10

Para t* = 0; B* = 0

Ec. 10.-12Especie C:

Ec. 10.-13

Ec. 10.-14

Factor integrante:

Ec. 10.-15

Ec. 10.-16

Para t* = 0; C* = 0

Ec. 10.-17

Especie D:

Ec. 10.-18

Ec. 10.-19

Ec. 10.-20

Ec. 10.-21


La reacción

A2 + 2B

Se verifica con el mecanismo: k1

1. A2 2A Ec. 11.-2 k1’

k2 2. A + B C Ec. 11.-3

k2’

Si la primera etapa es reversible y lenta con respecto a la segunda etapa reversible, ¿cuál será la ecuación de velocidad para la desaparición neta de A?

A partir de la primera reacción:

Ec. 11.-4

Factor Integrante:

Ec. 11.-5

Cuando t = 0; CA2 = (CA2) o

Ec. 11.-6

Ec. 11.-7

Ec. 11.-8

Para la especie A:

Ec. 11.-9

Ecuación 11-8 en 11-9

Ec. 11.-10


Las reacciones de segundo orden k1

1. A + B C Ec. 12.-1

2. A + A A2 Ec. 12.-2 k2

Se verifican a densidad constante, con una mezcla inicial que solo contiene A y B a concentraciones iguales. Para el caso de un reactor por lotes, trace el curso de la reacción en un diagrama triangular para k2/k1 = 1,0.

Ec. 12.-3

Ec. 12.-4

Ec. 12.-5

Ec. 12.-6

Ec. 12.-7

Ec. 12.-8

De esta ecuación se puede apreciar:

Cuando t aumenta; CA disminuye

Diagrama: CA = f ( t)

Tiempo

CA

CAo


Se estudia la cinética de una reacción irreversible de segundo orden y en fase líquida

A+B C en un aparato de volumen constante. Empezando con concentraciones iguales de 1,0mol/l de A y B, la reacción se suspende después de 30 min., cuando ha desaparecido un 20 % de los reactantes. Los errores casuales serán del orden de 5s en las lecturas de tiempo y de 0,002 mol/l en las mediciones de concentración. Estime el error fraccionario de las constantes de velocidad calculadas en base a estos datos.

Ec. 13.-1

Considerando las incertidumbres:

Ec. 13.-2

∆CAo∆t = despreciable

Ec. 13.-3

Ec.13.-4

Ec. 13.-5

Error Fraccionario = Ec.13.-6


Las siguientes constantes de velocidad corresponden a dos reacciones irreversibles:

k1 A B k1= 0.25/h Ec. 14.-1

k2 B C K2= 0.13/h Ec. 14.-2

Las reacciones son ambas de primer orden y se verifican a densidad constante en fase líquida. Considérese un caso en el que la corriente de alimentación contiene A a una concentración CA = 4,0 mollb/pie3 y CB = CC = 0

(a) Calcule el tiempo de residencia promedio (V/Q) para que reaccione la mitad de A en cada uno de los siguientes casos:

(i) Reactor ideal de flujo tapón(ii) Reactor ideal de tanque con agitación

(b) Calcule la concentración de B que sale del reactor en los dos casos de la parte (a)

14.1. Literal (a)

14.1.1. Literal (i)

Ec. 14.1.1-1

14.1.2. Literal (ii)

Ec.14.1.2-1

14.2. Literal (b)

Ec. 14.2-1


Ec. 14.2.1-2

Ec. 14.2.1.-3

Ec. 14.21.-4


Ec. 14.2.2-1

EJERCICIO # 15(Libro: Smith J.M., Ingeniería de la Cinética Química; Capítulo 4, Ejercicio 4-31)Los resultados de este ejercicio se sujeta a revisión.

Se va a saponificar acetato de etilo añadiendo una solución de hidróxido de sodio 0,05 N en forma continua, a un recipiente que contiene acetato de etilo. El reactor está inicialmente cargado con 100 galones de una solución acuosa que contiene 10g/l de acetato de etilo. La solución de hidróxido se añade a una velocidad de 1,0 gpm hasta que se alcanza la cantidad estequiométrica. La reacción es relativamente rápida e irreversible, la velocidad específica de la reacción es de 92 l/ (molg) (min) a 20 º C. Suponga que el contenido del recipiente está bien mezclado, y determine la concentración del acetato que no reacciona, en función del tiempo. ¿En qué momento su concentración será máxima?

C4H8O2 + NaOH C2H3O2 + C2H6O Ec. 15.-1k

A B C D

PMA = 88 g /mol

Reactor semicontinuo:

Balance de moles para A:

Ec. 15.-2

Balance de masa global:

Ec. 15.-3

Asumimos

Ec. 15.-4

V = Vo + Qt Ec. 15.-5

Reemplazando en Ec. 15.-2

Ec. 15.-6

Balance de moles para B:

Ec. 15.-7

Ec. 15.-8

Ec. 15.-9

Balance de moles para C:

Ec. 15.-10

Ec. 15.-11

Ec. 15.-12

Resolviendo en Polymath las ecuaciones 15.-6, 15.-9 y 15.-12 se tiene un diagrama de CA = f (t)

Añadiendo una línea de tendencia polinomial se tiene:

Cc = 3,37 *10-2 mol/l; cuando t = 224,7 min = 3,7h

EJERCICIO # 16(Libro: Smith J.M., Ingeniería de la Cinética Química; Capítulo 4, Ejercicio 4-33)Este ejercicio no se realizo

La descomposición fotoquímica de la acetona (en fase gaseosa) ha sido estudiada en un reactor con recirculación. Aunque la secuencia de la reacción es compleja, la reacción total a 97 º C y 870 mmHg puede expresarse en forma aproximada de la siguiente manera:

CH3COCH3 CO + C2H6 Ec. 16.-1

Las condiciones de operación usadas son como sigue:

Q = 3,33 * 10-4 m3/sVT = 5,50* 10-3 m3

V = 62,6 * 10-6 m3

El curso de la reacción se detectó analizando el contenido de CO y C2H6 en muestras gaseosas muy pequeñas. En una corrida, para la que la concentración inicial de acetona, CAo, era 5,7 * 10-3 moles k /m3, los resultados fueron:

Tabla 16.-1t, h CC2H6 mol k / m3

1.25 2.0*10-5

2.25 6.5*10-5

3.25 8.5*10-5

4.25 11.8*10-5

Los datos de corrida a diferentes concentraciones iniciales produjeron los siguientes resultados, expresados en términos de conversión de acetona, XA:

Tabla 16.-2Conversión inicial de acetona, CAo * 10-3 mol K / m3

Tiempo 4,62 1,99 1,33 1,27

t, hConversión de acetona , 10'0XA,

%1,00 0,60 1,00 1,10 1,152,00 1,10 1,75 2,00 2,053,00 1,70 1,55 3,00 3,104,00 2,20 3,35 3,90 4,005,00 2,60 4,30 5,00 5,20

(a) calcule los valores de conversión por pasada por el reactor. ¿Opera este sistema como reactor diferencial?

(b) Usando la hipótesis del estado estacionario y con algunas suposiciones acerca del mecanismo de reacción, se puede obtener la siguiente expresión de velocidad para la fotodescomposición de acetona:

Ec. 16.-2

¿Cómo se comparan estos datos con la forma linearizada de la ecuación de velocidad derivada?

ing. reacciones 2

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