PROBLEMA 1.1

Problema 1.1a

Para una reacción A o B (expresión de la velocidad: rA = KCA), que tiene lugar en un reactor tubular isotérmico, a partir de la ecuación de balance de masa y suponiendo flujo de tapón, derivar una expresión para el cálculo del volumen de reactor, en términos de la velocidad de flujo molar de reactivo 'A'.

Solución 1.1a

Suponiendo flujo de tapón, el balance de masa sobre un elemento diferencial de volumen de un reactor tubular se escribe como:

Tomando el límite como ∆V R→0

Problema 1.1b

Si la reacción se lleva a cabo en un reactor tubular, donde la tasa de flujo volumétrico total de 0,4 m3s-1, se calcula el volumen del reactor y el tiempo de residencia requerido para lograr una conversión fraccional de 0,95.La constante de velocidad k= 0.6 s-1.Solución 1.1b

La velocidad de flujo molar del reactante "A" se da como,

También .La tasa se da entonces como . Sustituyendo,

En tapón de flujo el tiempo de residencia se define como

PROBLEMA 1.2

La reacción en fase gaseosa A 2S se debe llevar a cabo en un reactor tubular isotérmico, de acuerdo con la expresión de la velocidad rA = k CA. Pure A es alimentado al reactor a una temperatura de 500 K y una presión de 2 bar, a una tasa de 1,000 moles s-1. La constante de velocidad k = 10 s-1. Efectos debidos a la caída de presión a través del reactor Suponiendo que sea insignificante, calcular el volumen de reactor requerido para una conversión fraccional de 0,85.Datos:

Solución 1.2

En el capítulo I se derivó la ecuación para calcular el volumen de un reactor tubular isotérmico, donde la reacción de primer orden, A→2S, causa el cambio de volumen en la reacción:

En esta ecuación, para la alimentación pura “A”, Y AO≡nAO /n¿=1

Veamos en qué proporción el total de cambios en la tasa de flujo volumétrico entre la entrada y la salida de este reactor. Primero revisemos cómo el total de cambios de caudal molares con conversión:

La diferencia está lejos de ser despreciable! Al tratar con las reacciones en fase gas, las tarifas se expresan a menudo en términos de presiones parciales: rA = kpA, como veremos en el siguiente ejemplo.

PROBLEMA 1.3 La descomposición térmica en fase gaseosa de un producto de componentes de acuerdo con la reacción química

con la velocidad de reacción rA definida como la tasa de desaparición de A: La reacción será llevada a cabo en un reactor continuo de tanque agitado isotérmico (CSTR) a una presión total de 1,5 bar y una temperatura de 700 K. El necesaria la conversión es 70%. Calcular el volumen del reactor necesario para una velocidad de alimentación de reactivo puro de 4000 kmol hr-1. Comportamiento de gas ideal puede ser asumido.Datos:

Solución 1.3Usando la expresión de la velocidad de reacción dada anteriormente, la "ecuación de diseño" (es decir, el balance de masa isotérmico) para el CSTR se puede escribir como:

A continuación escribimos el balance molar de la mezcla de reacción:

Este resultado se utiliza en la ecuación de "gas ideal" del Estado:Sustituyendo en la ecuación. 1.1.A deriva anterior, obtenemos:

Simplificando,

Para simplificar aún más, definimos

Siguiente calculamos los valores de las constantes de velocidad de reacción

Sustituyendo los datos en la ecuación. 1.1.B

PROBLEMA 1.4

La reacción en fase líquida para la formación del compuesto C , con la velocidad

de reacción , se acompaña de la reacción secundaria indeseable ,con

la velocidad de reacción . La alimentación combinada de 1,000 kmol por hora es equimolar en A y B. Los dos 2 componentes son precalentados por separado a la temperatura del reactor, antes de ser alimentado. La caída de presión en el reactor puede ser descuidado. La tasa de flujo volumétrico puede ser asumida mantiene constante en 22 m3 hr-1.La conversión deseada de A es 85%. Sin embargo, no más de 20% de la cantidad de "A" hace reaccionar se puede perder a través de la reacción secundaria indeseable. Encontrar el volumen del reactor tubular operado isotérmicamente más pequeño, que puede satisfacer estas condiciones.Datos:

Solución 1.4

Para pedidos iguales de reacción: (n1/n2)=(k1/k2), donde n1 son los moles reaccionados a través de la reacción 1,y n2son las moles reaccionadas a través de la reacción 2. No permitir que más de un 20% de pérdida a través de la formación de subproducto "D" implica: (n1/n2)=(k1/k2)≥4.Desde∆ E2>∆ E1, la velocidad de reacción 2 aumenta con la temperatura más rápido que la velocidad de reacción 1. Por lo tanto la temperatura máxima para la condición {n1/n2≥4 } será a (n1/n2)=(k1/k2)=4.

Este criterio proporciona la ecuación de la temperatura máxima:

La temperatura proporciona la última pieza de información para escribir la integral para el cálculo del volumen.

PROBLEMA 1.5Un primer orden, en fase líquida, reacción química irreversible se lleva a cabo en un tanque agitado continuo isotérmico reactor A →productos. La reacción tiene lugar de acuerdo con la expresión de la velocidad rA = k CA. En esta expresión, rA se define como la velocidad de reacción de A (kmol m-3 s-1), k como la constante de velocidad de reacción (con unidades de s-1) y CA como la concentración de A (kmol m-3 ). Inicialmente, el reactor puede ser considerado en estado estacionario. En t = 0, un aumento de paso se lleva a cabo en el caudal molar de entrada, desde nAO ,ssa nAO. Suponiendo VR (volumen del reactor) y VT (Velocidad de flujo volumétrico total) que se mantiene constante con el tiempo,a. Demostrar que la ecuación de balance de masa en estado inestable para este CSTR se puede

expresar como:

También escriba la condición inicial adecuada para este problema. Las definiciones de los símbolos se dan a continuación.

b. Resolver la ecuación diferencial anterior [Parte a], para derivar una expresión que muestra cómo la velocidad de flujo molar de salida de los cambios reactivos con el tiempo.

c. ¿Por cuánto tiempo haría falta para que el caudal de salida del reactivo A para lograr el 80% de la variación entre los valores de estado estacionarios originales y nuevos (es decir, desde nA , ssa nA)?

DEFINICIONES Y DATOS:

Solución 1.5

a. Equilibrio CSTR masa con término de acumulación: balance de materiales en el componente A, el VR volumen para el período ∆t:

Las barras indican promedios sobre el intervalo de tiempo ∆t, y NA (t) es el número total de

moles del componente A en el reactor en el tiempo t. También , y el

tiempo de residencia medio, . Tomando el límite como en la ecuación anterior, obtenemos:

b.

c El nuevo caudal molar de salida en estado estacionario de A.

La relación de enlace t, nA , ss y nA se deriva de la solución de la ecuación diferencial

Para el 80% de la variación, que deberán realizarse: