C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2
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- Daniel Valdéz Soriano
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1 GUIA DE PROBLEMAS 1. Determine la expresión del balance de energía general para un reactor que opera en estado estacionario, 1.1. donde se lleva cabo una reacción única, ingresa y egresa una sola corriente y se conoce el calor de reacción evaluado a la temperatura de entrada, a la temperatura de salida y a una temperatura diferente a la de entrada y salida donde se lleva cabo una reacción única e ingresan y egresan varias corrientes a distintas temperaturas con una sola corriente que ingresa y egresa del equipo y se llevan a cabo las siguientes reacciones: A B A C A B 2. La reacción de craqueo de etano en fase homogénea se efectúa de acuerdo a la reacción: C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 La carga inicial de este reactor es de 10 pies cúbicos y está constituida por etano puro a 5 atm y 25 C. Calcular la conversión final si este reactor se opera: 2.1. en condiciones adiabáticas; 2.2. en condiciones isotérmicas. La constante de velocidad de reacción se da en la tabla adjunta y la cinética es r=k [C 2 H 6 ] T (R) k (h -1 ) Se disponen los siguientes datos adicionales: T operación =5h cp C2H6 = cal/mol K cp C2H4 =10.47 cal/ mol K 1
2 cp H2 =3.41 cal/ mol K H r =15000 cal/mol 3. Un sistema reaccionante compuesto por dos celdas agitadas entre las que se puede transferir calor, funcionan en forma continua según el siguiente esquema: A A T B 1 2 exotérmica A C -ra=k1 CA endotérmica B D -r B =k2 CB En este sistema se han llevado a cabo experiencias cambiando las alimentaciones y midiendo las temperaturas según el siguiente cuadro: F o a, mol/min F o b, mol/min Ts 1, C Ts 2, C Determinar: 3.1. El coeficiente global de transferencia de calor La constante de velocidad k2 como una función de la temperatura. Datos: V 1 = V 2 = 10 l ρ 1 =ρ 2 = 1 g/cm 3 Te 1 = 20 C 2
3 v 1 = 10 l/min Cp 1 = Cp 2 = 1 cal/g K Te 2 = 30 C v 2 = 30 l/min H 1 = Kcal/mol k 1 = 775 exp(-1800/t) min H 2 = 1500 Kcal/mol A T = 464 cm 2 4. Se desea realizar la reacción cuya estequiometría es: A + B C en fase líquida en una serie de 2 TAC. Dado que la especie B es muy cara, se eligen las condiciones de reacción de modo que haya un gran exceso de A y en consecuencia, la cinética se vuelve de pseudo - primer orden en B r = k.c B La reacción es exotérmica y el control de temperatura de ambos reactores se hace por intercambio de calor con agua hirviendo a 1 atm. El primer reactor trabaja a 106 C y el segundo a 117 C. A estas temperaturas, las constantes cinéticas son: T = 117 C k = 2, seg -1 T = 106 C k = 0, seg -1 El volumen de cada reactor es 0,8 m 3, vo es 1,1 litro/seg y la conversión total de B es 0,8. La capacidad calorífica de la mezcla se considera constante e igual a 3,47 Joule/cm 3 K y la alimentación entra a 70 C, determinar el área de transferencia de calor para cada reactor. H = - 69 KJoule/molg (se considera constante con la temperatura). U = Joule/seg.cm 2 K en cada reactor. C B0 =5.6 mol/l 5. Considere el siguiente sistema de reacciones consecutivas: k k A 1 P 2 X donde P es el producto deseado. Estas reacciones se llevan a cabo en fase líquida en una cascada de dos TAC en serie de igual volumen. Estos reactores son operados a la misma temperatura, de modo tal de maximizar la concentración de P en el efluente del segundo reactor. Cuando el caudal de alimentación es de 0.5 m 3 /seg y las constantes de velocidad son iguales a seg -1, el volumen de cada reactor es de 4 m 3. Ambos reactores operaran a 93 C. 3
4 5.1. Si la densidad del fluido es de 0.95 g/cm 3, la capacidad calorífica de 3 J/g K, y el primer tanque opera adiabáticamente, determine a qué temperatura debe entrar la alimentación. Esta contiene 1.5 kmol/m 3 del reactivo A Cuál es el valor del flujo calórico a entregar (o eliminar) al segundo reactor, con el fin de mantener su temperatura en 93 ºC. H1 = -60 kj/mol H2 = 20 KJ/mol 5.3. Si k1 = k2 = seg -1,considera que usando reactores de 4 m 3 se maximiza la concentración de salida del producto deseado?. Justifique su respuesta. 6. La reacción en fase líquida A + 2B C se lleva a cabo en una serie de dos TAC de 50 lt cada uno. El primero de ellos es adiabático y el segundo intercambia calor con una camisa. La velocidad de reacción puede expresarse como: k CA CB ra = 1+k C + k C 1 A 2 I pero la determinación de estos parámetros es muy compleja. Se sabe que la mezcla reactiva, que entra al primer reactor a 310 K con una composición de CA0 = 1,2 mol/l, CBo = 3,1 mol/l y CIo = 15,5 mol/l, sale del primer reactor con una conversión del 62 % a 330 K e ingresa al segundo reactor del que sale con una conversión del 93 % a 335 K Calcular el calor de reacción a 298 K Si el área de transferencia de calor es de 2 m 2 /m 3 y el refrigerante se encuentra a TR = 310 K, estimar el coeficiente global de transferencia de calor expresado como U/vo Si conociese los valores de k1 y k2 indique cómo calcularía la constante de velocidad restante (k). DATOS CpA = 7,1 cal/molg ; CpB = 5,27 cal/molg CpC = 9,40 cal/molg ; CpI = 11,2 cal/molg 7. La reacción en fase líquida A B se lleva a cabo en un reactor tubular de flujo pistón a una presión constante de kpa. La alimentación es de 600 kmoles/kseg de A puro con una temperatura de entrada de 200 C. A puro tiene un volumen específico de m /kmol 3. El calor de reacción a 200 C es -15 kj/mol. Los calores específicos molares de A y B son para ambos 42 J/mol. K. La constante de velocidad de reacción en este rango esta dada por: 4 k = (T-200) donde T es la temperatura en C y k en kseg -1.
5 El reactor debe funcionar adiabáticamente, pero la máxima temperatura de reacción permitida es de 400 C, ya que por encima de esta temperatura se forman compuestos no deseados. Calcular el mínimo volumen de reactor necesario para obtener 80 % de conversión de A. Cuál debe ser la velocidad de transferencia de calor en la sección de enfriamiento del reactor?. Adiabático Enfriado 8. La reacción A B se lleva a cabo en un reactor tubular. La alimentación es A puro e ingresa al reactor a 600 C. Estime el volumen de reactor necesario para convertir un 80% del reactivo alimentado cuando: 8.1. El reactor opera isotérmicamente a 600 C El reactor opera adiabáticamente Cuál de los dos reactores (el del inciso A o B) elegiría para llevar a cabo la reacción? 8.4. Si la temperatura máxima admisible es 800 C, cuál de los dos reactores (isotérmico o adiabático) elegirías para transformar A? DATOS: H=-1000 cal/mol Cp A = 10 cal/mol k= 20 exp( /t) min -1 v o = 20l/min 9. Una reacción exotérmica A B se lleva a cabo en un reactor tubular no adiabático en estado estacionario, donde el calor de reacción es removido por un refrigerante a la temperatura Tr (constante a lo largo de la posición axial). La mezcla reactiva ingresa al reactor a una temperatura T0= 340 K y su densidad puede asumirse constante.el reactor opera en condiciones de alta sensibilidad con respecto a Tr, por lo que se desea evaluar la influencia de esta variable operativa sobre la conversión del reactivo A y sobre la temperatura del reactor Grafique conversión vs. τ y temperatura vs. τ, para distintas temperaturas del refrigerante: Tr = 335, 337 y 339 K. Analice el comportamiento observado en las curvas anteriores. 5
6 9.2. Para cada valor de Tr: Cuál es el tiempo espacial (τ) necesario para alcanzar una conversión del 65 %? 9.3. Grafique y analice los resultados anteriores en un plano temperatura vs. conversión. Incluir el caso de operación adiabática del reactor y comparar con los tres casos no adiabáticos. T Datos: Incremento de temperatura adiabático: ad =146 K 4U 1 = 0.20 s dt ρc p (constante a lo largo del reactor) E k = k e RT 0 s,donde k0 = , E/R = K 10. La siguiente reacción en fase líquida, reversible, elemental se lleva a cabo en un RT: A B La corriente de entrada tiene un caudal de 10 dm 3 /s, una concentración de 2 M de A y una temperatura de 310 K Calcule el volumen necesario para alcanzar el 90% de la conversión de equilibrio en un RT operado en forma adiabática Ahora considere una serie de reactores con enfriamiento entre etapas de manera que la corriente es enfriada a 300 K en cada etapa. Cuántos reactores son necesarios para alcanzar una conversión del 95% asumiendo se alcanza que el 99.9% de la conversión de equilibrio Datos: Cp A = Cp B = 50 cal/mol K H r = cal/mol A k = e T Kc = 4.775x10 6 e T s -1 6
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