Ingeniería de las Reacciones Químicas REACTORES NO ISOTÉRMICOS 1.- Se desean producir 1000 Kg/h de una solución de ácido acético (HAc) al 40% en peso por hidrólisis de anhídrido acético (AAc) en un RCAI cilíndrico con relación H/D = 1, utilizando una corriente de alimentación a 0 C. AAc + H O HAc Diseñe el reactor considerando tres posibilidades: 1.- Operar el reactor en forma isotérmica..- Operar el reactor a 50 C. En los casos 1 y, para mantener la temperatura se utiliza una camisa enfriada con agua. Se supone que la temperatura en el interior de la camisa es de 15 C constante y el coeficiente global de transferencia de calor es de 5 Kcal/m h C. 3.- Operar el reactor en forma adiabática. En todos los casos la conversión debe ser del 95%. Indique cuál es la opción más conveniente, teniendo en cuanta los siguientes costos: A = costo/volumen de reactor = $700/m 3 B = costo/área de camisa = $50/m C = costo/área de aislación = $5/m Datos adicionales: log 10 (k) = 7.551 495.109/T k en min -1, T en K Densidad de la solución = 1.07 kg/l, constante Calor específico medio de la solución = 0.860 kcal/l C Peso Molecular Calor de formación a 98K AAc 10.1-155.15 kcal/mol H O 18-68.30 kcal/mol HAc 60.1-116.0 kcal/mol. - La reacción elemental reversible en fase líquida A B tiene lugar en un RCAI de litros, con un caudal de 00 ml/min. La capacidad calorífica es de 1000 cal/l.k, independiente de la temperatura. C Ao = 1 mol/l k 1 = exp(17.5 11500/RT) min -1 k = exp(36.0 9800/RT) min -1 (T en K, R = cal/mol.k) a) Para el v 0, cuánto debe valer la temperatura de entrada al reactor si se desea que el mismo opere a la temperatura que asegura la máxima conversión? (Reactor adiabático). b) Si el reactivo entra a 300 K, qué v 0 es necesario para obtener una producción de B de 0.30 mol/min? El reactor continúa trabajando adiabáticamente. 3.- La reacción A B, con r B = C A.exp(14-7000/T) (T en K, r B en mol/l.min) se lleva a cabo en un reactor tubular de 1000 L. el caudal volumétrico es de 100 L/min. La concentración de entrada de A es C Ao = 0 mol/l. Otros datos son: H = 1.5 kcal/mol C pa = C pb = 0.0 kcal/mol.k a) Hallar la temperatura isotérmica necesaria para obtener una conversión final del 90%. b) Hallar la temperatura a la que debe entrar la mezcla reaccionante a fin de alcanzar X Af = 0.9 trabajando adiabáticamente. La máxima temperatura que puede soportar el reactor es de 550 K. c) Qué conversión se alcanzaría en un RCA adiabático de 1000L con el mismo caudal volumétrico y temperatura de entrada calculada en la parte b)? 4.- La reacción en fase líquida A + B C cuya ecuación cinética responde a la expresión r A = k.c A.C B (moles A/L.min) se lleva a cabo en una batería compuesta por dos RCAI
adiabáticos en serie. Se dispone de los siguientes datos: V = 100 L c/u v 0 = 80 L/min H = -0 kcal/mol A, constante C Ao = 1 mol/l C Bo = 3 mol/l C P = 1.1 Kcal/L.K, constante k = exp(18.90 8000/T), (T en K, k en L/mol.min) Ingeniería de las Reacciones Químicas La corriente reaccionante se obtiene de un proceso anterior a una temperatura de 350K. La máxima temperatura de operación es de 400 K. A qué temperatura debe ser precalentada la alimentación para obtener una conversión del 94% en A a la salida de la batería? 5.- La reacción A + B C +D se lleva a cabo en dos reactores continuos agitados en serie. La reacción es de primer orden respecto a cada reactivo. La alimentación contiene un inerte S. Las temperaturas y composiciones son las indicadas a continuación: T ent = 00 C T final = 500 C C Ao = 0.6 mol/l C Af = 0.1 mol/l. C Bo = 1.1 mol/l C Bf = 0.6 mol/l C Co = 0.0 mol/l C Cf = 0.5 mol/l C Do = 0.0 mol/l C Df = 0.5 mol/l C So = 0.0 mol/l C Sf = 0.0 mol/l El calor de reacción a 00 C es de -30.1 kcal/mol para la reacción tal cual está escrita. Cada reactor tiene un volumen de 00 L y la alimentación es de 3.96 L/min. Para las capacidades caloríficas se tienen los siguientes datos promedio: Elemento C p (cal/mol.k) A 13.0 B 17.0 C 3.0 D 7.0 S 10.0 A 500 C la constante de velocidad de reacción es de 1.7 * 10-3 m 3 /kmol.s. a) Determinar la composición del efluente del primer reactor. b) Si la transferencia de calor en el primer reactor es de -50.85 cal/s cuál será la temperatura a la salida del reactor? c) Cuál será la constante de velocidad a esa temperatura? d) Determinar la transferencia de calor en el segundo reactor. 6. - Se desea producir una mezcla de isómeros para ser usada como reactivo en la fabricación de un determinado producto. Esta mezcla debe tener 60% de isómero B y 40% de isómero A. Efectuar el diseño funcional completo del reactor óptimo. A B Reacción elemental Datos: Peso molecular de A y B = 80 g/mol Densidad de A y B = 0.8 g/cm 3 c p A,B =0.3 cal/g.k G 98K = -1744 cal/mol H 98K = -18000 cal/mol Temperatura del agua de enfriamiento = 15 C Temperatura del reactivo A en el depósito = 0 C Temperatura de ebullición de A = 60 C Producción final = 80 kg/h de mezcla de A y B Se parte de A puro Datos cinéticos obtenidos en un reactor batch de laboratorio:
a 5 C se obtiene una X A = 0.793 en 19 horas a 35 C se obtiene una X A = 0.691 en 8 horas Reactor aconsejado: RCA Sugerencia: tener en cuenta la relación de Van t Hoff: Ingeniería de las Reacciones Químicas lnk T = Ho RT 7.- En un reactor tubular de lecho relleno con partículas cilíndricas de catalizador de V O 5 se lleva a cabo la reacción en forma adiabática. La velocidad global de reacción del SO sobre el catalizador puede representarse por la expresión. que es válida para conversiones X 0.05. Para X < 0.05 la velocidad de reacción se supone constante y su valor se obtiene reemplazando X por 0.05 en la ecuación correspondiente. Condiciones operativas: i) La corriente de alimentación entra al reactor catalítico a 910 F, 1 atm y a 100 lbmol/h. ii) La composición de la alimentación (en % molar) es del 10% de O, 79% de N (inerte) y 11% de SO. iii) En el rango de 850 a 100 F las constantes de equilibrio y específica de velocidad de reacción pueden calcularse a partir de: ln K p = 4300/T + 0.170 lnt 4. ln k = -149750/T + 9.50 con T en R, K p en atm -1 y k en lbmol/s.lb cat.atm iv) Entre T o (temperatura de entrada) y T, las capacidades caloríficas del SO 3, SO, O y N se suponen constantes y valen respectivamente 0, 13, 8.4 y 7.9 BTU/lbmol. R. v) Los calores de formación del SO y SO 3 a la temperatura de referencia T R = 537 R son: H o SO = -17700 BTU/lbmol H o SO3 = -170000 BTU/lbmol vi) vii) SO La densidad global del catalizador es cat = 150 lb/ft 3 y el área de sección del reactor catalítico es A = 0.196 ft. La presión se mantiene constante en todo el reactor a 1 atm. En base a la información anterior se pide: a) A partir del balance de energía, expresar T = f(x) b) Calcular la conversión de equilibrio. 1 O SO p SO p SO3 rso k p O pso 3 K P pso 3 8. - La reacción exotérmica reversible A B en fase líquida se debe llevar a cabo en un RTFP existente en planta de volumen igual a 1500 L. Se sabe que r A = k 1 C A - k C B con k 1 = exp(17-7000/t) min -1 k = exp(30-17000/t) min -1 con T en Kelvin. La corriente de reactivo responde a las siguientes condiciones: F Ao = 1 kmol/min C Ao = 0 kmol/m 3, C Bo = 0 C pa = C pb = 0 kcal/kmol.k T Ao = 98 K Se desea una conversión final del 90%. Se desea asimismo que en ningún momento se sobrepasen los 573 K dentro del reactor que ha de trabajar adiabaticamente. A los efectos de moderar el ascenso de temperatrua se agrega a la corriente de reactivo arriba especificada una corriente de inerte I que responde a:
Ingeniería de las Reacciones Químicas C Io = kmol/m 3 C pi = 30 kcal/kmol.k T Io = 98 K Existe alguna relación F Io /F Ao que satisfaga X f = 0.9 con T 573 K en todo el reactor? Discutir. Se sabe que para los puntos (X, T) de nuestra zona de operación posible se cumple que (dr/dt) x 0. 9. - Se desea estudiar un RCAI existente en planta para llevar a cabo la reacción exotérmica, de primer orden y en fase líquida: A B r B = k 1 C A Qué área de intercambio sería necesaria para maximizar la producción de B? Existe una reacción paralela A C con r C = k C A no deseable. Alimentación: A puro a una concentración de 1.1 lbmol/ft 3 Temperatura: 130 F (590 R) Flujo volumétrico: ft 3 /s Densidad: 45 lb/ft 3 Capacidad calorífica: 0.8 BTU/lb. F Reacción 1: k 1 = k 1o exp(-e 1 /RT) k 1o = 3 * 10 8 s -1 E 1 = 7000BTU/lbmol Reacción : H 1 = -15000 BTU/lbmol k = k o exp(-e /RT) k o = * 10 14 s -1 E = 45000BTU/lbmol H = 5000 BTU/lbmol Reactor: V = 30ft 3 R = 1.987 BTU/lbmol. R En caso de ser necesario se dispone en planta de vapor saturado a 1 F U = 400 BTU/h.ft. R La densidad y el calor específico no se afectan debido a la reacción o a cambios en la temperatura. Las entalpías son constantes. 10. - En un RCAI adiabático tienen lugar las siguientes reacciones elementales en fase líquida: La temperatura se regula ajustando la entrada de una corriente de inerte I. Se debe trabajar con X A =0.9 y C X /C Y = 55/45. V = 10 ft 3 F Ao = 0.5 lbmol/s v o = 1 ft 3 /s (caudal sin inerte) T Ao = 140 F C p de A, X, Y e I = 0.5 BTU/lb. R de A e I = 0.8 lb/ft 3 k 1 = exp(3.0 30000/RT) R =1.987 BTU/lbmol. R, T en R k = exp(16.1 0000/RT) k 1 y k en s -1 H 1 = 15000 BTU/lbmol H = -100 BTU/lbmol Calcular v I y T Io. A k1 X A k Y
Ingeniería de las Reacciones Químicas 11. - La reacción A P en fase líquida se lleva a cabo en un RCAI. Paralelamente ocurre una reacción secundaria A R. Las dos reacciones son de primer orden y se tiene que: k 1 = 10000 exp(-5000/rt) h -1 H 1 = 1500 cal/mol k = 36000 exp(-8000/rt) h -1 H = -300 cal/mol Los H no dependen de T R = 1.98 cal/mol.k a) Hallar la temperatura que asegure la máxima pureza de P a la salida del reactor. Calcular además las concentraciones de todos los productos y la pureza de P. V reactor = 40 L C p solución = 1300 cal/l.k (no es función de T) v o = 80 L/h T entrada = 5 C C Ao = 10 mol/l b) El reactor es calefaccionado con una camisa que utiliza un líquido de C p = 5000 cal/l.k y T entrada = 00 C. Calcular el caudal del líquido calefactor. Para determinar el coeficiente de transferencia de calor (UA) del sistema calefactor se realizó la siguiente experiencia: El reactor se alimentó con solvente (no hay reacción) cuyo C p es 1300 cal/l.k con la misma temperatura y caudal que en el diseño. La camisa se alimentó con el mismo líquido calefactor a la temperatura de diseño y caudal 15 L/h. En esas condiciones la temperatura del solvente a la salida del reactor fue 9.5 C. 1. - Se están produciendo 18 moles/min de un producto P con una pureza del 90% según la reacción irreversible de primer orden A P a partir de A puro. El reactor es un RCAI adiabático y las condiciones de operación son: C Ao = 1 mol/l T entrada al reactor = 5 C V reactor = 50 L Se desea triplicar la producción de P manteniendo la calidad. Para ello se ha propuesto agregar otro reactor en paralelo y se estudian las siguientes alternativas: i) un RTFP adiabático ii) un RTFP calefaccionado, funcionando en forma independiente del RCAI. Calcule los volúmenes de reactor para cada una de las opciones y seleccione el más apropiado. Datos adicionales: H = -0000 cal/mol (constante) k =.7 min -1 a 400 K C p mezcla = 1000 cal/l.k (constante) Diámetro del tubo = 0 cm Intercambiador de camisa T c = 373 K (constante) Coeficiente de transferencia de calor = 0.8 cal/min.cm.k La calefacción es con vapor de baja presión sobrante de otro proceso (costo nulo). 13. - En un RDA se lleva a cabo la reacción elemental en fase líquida, A k B C Expresión cinética: gramos de B producidos/ml.min = k.c A (C A en g/ml) 393 k exp(33.34 - ) T k en min -1, T en K 1 gramo de A se descompone dando 0.156 g de B y 0.844 g de C. Carga inicial de A = 500 lb Densidad = 0.9 g/ml Calor de reacción = 15000 cal /gmolb Peso molecular de B = 60 g/gmol Capacidad calorífica C P = 0.6 cal/g.k (constante) Temperatura inicial = 613K
Ingeniería de las Reacciones Químicas El calor necesario para la reacción es provisto por un calefactor de inmersión cuya temperatura superficial es constante e igual a 700 K. El coeficiente de transferencia de calor es h = 60 BTU/h.ft. F. a) Hallar el área necesaria para lograr una conversión del 70% en 0 minutos. b) Estudiar cuantitativamente el efecto de las incertidumbres en los valores de E (energía de activación), H y h sobre el valor calculado en a). 14. - Las reacciones elementales en fase líquida k 1 A B k A C se llevan a cabo en un RDA existente en planta de 90 L, siendo C el producto deseado. Se quiere obtener una producción de 100 moles por tachada. Se dispone del reactivo a una temperatura de 35 C y a una concentración de.5 mol/l. a) Es posible lograr esa producción operando isotérmicamente? Si es posible, calcular el tiempo de reacción necesario. b) Para el reactor operando adiabáticamente, obtener el perfil de temperatura, ysi la producción deseada es alcanzable, calcular el tiempo necesario. Datos: k 1 = exp( - 1000/T) h -1 H 1 = -18000 cal/gmol k = exp(4-1550/t) h -1 H = 10000 cal/gmol C p mezcla = 1000 cal/l.k 15. - La descomposición de A para dar P (r A = k nc C A ), se da a una velocidad muy baja en ausencia de catalizadores (k nc = 10-8 min -1 ) por lo cual se propone llevar a cabo la producción de P en un reactor empacado con un catalizador. Previamente se realizaron experiencias para determinar la constante de reacción (k c ) a distintas temperaturas, obteniéndose la siguiente tabla: k c (min -1 ) 0,0318 0,1353 0,3500 1,48,964 T (K) 373 400 40 450 473 Por otro lado, la reacción es exotérmica y libera grandes cantidades de energía (ΔH = -77 kj mol -1, constante) y que el producto P se descompone a temperaturas superiores a los 00 ºC, por lo que se propone utilizar un reactor auto-térmico como el de la figura, donde se confina el catalizador en el tubo y se hace pasar la alimentación en contracorriente por el anulo como refrigerante y así elevar su temperatura antes de que entre en contacto con el catalizador. Para ello se dispone de un tubo de 0 cm de diámetro (d i ), el que se va a usar como lecho empacado. Se pretende tratar un caudal v = 31,5 Lmin -1 de A puro, con una concentración de M. a) Determine el diámetro del ánulo (d e ) para que la velocidad lineal del flujo sea igual en ambas secciones. b) Determine el largo de reactor (l) a utilizar para que la producción de P sea máxima. c) La conversión en esas condiciones y la producción de P. Datos del sistema: U = 00 Wm - K -1 T E = 60 ºC Cp = 1.000 kjm -3 K -1 (constante)
Ingeniería de las Reacciones Químicas Afluente Afluente Efluente 16. - Se quieren producir 400 L/h de un producto P con concentración C p = 4.5 mol/l según la reacción irreversible exotérmica A P (cinética de primer orden). Se dispone del reactivo A con concentración C A = 5 mol/l a 5 C. a) Calcular el volumen del RTFP adiabático necesario para lograr dicha producción. b) se puede disminuir el volumen de reactor utilizando recirculación. Explique este efecto y calcule el caudal de recirculación que sería necesario aplicar a un reactor existente de 500 L para alcanzar la producción necesaria (el reactor se comporta como RTFP adiabático). c) Se dispone además de una bomba cuyo caudal es mucho mayor que el caudal de alimentación (se puede considerar infinito). Calcule cuál sería la concentración de P a la salida del reactor de 500 L si se utiliza esta bomba para el reciclo. Datos adicionales: k = exp(14-5000/t) h -1 (T en K) H = -0000 cal/mol A (independiente de T) C p solución = 800 cal/l.k (independiente de T) 17. - El sistema de reacciones en fase gaseosa: k 1 A + B C + D k A + B E Se ha de llevar a cabo en un RTFP enfriado por una camisa isotérmica. La presión de trabajo es constante e igual a.5 atm. r C = exp(15 7600/T)p A p B (gmol C/h.L) (presiones en atm) r E = exp(5.3 1900/T) p A p B (gmol E/h.L) (presiones en atm) p Ao = 0.5 atm H 1 = -8 Kcal/gmol C (a 0 C) p Bo =.0 atm H = -45 Kcal/gmol E (a 0 C) F to = 6.5 gmol/min (flujo molar de entrada) C pa = 9 cal/gmol.k T entrada = T camisa = 480 K C pb = 5 cal/gmol.k U = 4 kcal/h.m.k C pc = 7 cal/gmol.k C pd = 8 cal/gmol.k C pe = 31 cal/gmol.k Tubos de 50 mm de diámetro nominal, longitud = 6 m a) Hallar los perfiles de temperatura y composición a lo largo del reactor. b) Hallar la selectividad global en C a la salida del reactor. c) Calcular el flujo de líquido de enfriamiento a través de la camisa, si aquel tiene un H vap = 10 BTU/lb. d) Recalcular los perfiles si la alimentación se modifica agregando un 50% de inerte con p Ao = 0.5 atm, p Bo = 1 atm, p Io = 1.5 atm, con igual caudal molar de entrada. Temperatura de entrada = 573 K, C P del inerte = 7 cal/gmol.k. (Esto se ha hecho a
Ingeniería de las Reacciones Químicas fin de poder ingresar la mezcla reaccionante a mayor temperatura sin correr el peligro de sobrepasar la temperatura máxima admisible, que es de 650 K, corriente abajo). 18. - El sistema de reacciones en fase líquida A + B k 1 k C A + B k 3 D se lleva acbo en un RCAI adiabático de 08 L. El caudal volumétrico es de 30 L/min. Las concentraciones de A y B en la entrada son ambas 0.9 mol/l. Se tienen los siguientes datos: r c = k 1 C A C B - k C C k 1 = exp(10-3600/t), k = exp(10-4500/t) r D = k 3 C A C B k 3 = exp(8-3300/t) k 1 y k 3 en min -1 Lmol -1 y k en min -1, con T en K H 1 = -1800 cal/mol de C H = -1500 cal/mol de D C p de la mezcla reaccionante = 1000 cal/l.k (constante) A qué temperatura debe precalentarse la mezcla a fin de hacer máxima la producción (moles /min) de la especie C? La temperatura máxima aconsejada para el reactor es 150 C. 19. - En un reactor de flujo pistón adiabático de 10 L de volumen se lleva a cabo el sistema de reacciones en fase líquida: A + B C C + B D en donde D es el producto deseado. Calcular el flujo molar de D a la salida del reactor. Se tienen los siguientes datos: Caudal volumétrico = 1000 L/h C Ao = 0.08 gmol/l C Bo = 0.4 gmol/l C p mezcla = 5.4 cal/l.k (constante) r C = exp(9-3000/rt).c A r D = exp(0-9000/rt).c C H C = -15000 cal/gmol de C H D = 5000 cal/gmol de D (independientes de T) En el punto situado a.5 L de la entrada del reactor se tiene: T = 30 K, F C = 8.3 gmol/h, F D = 1.5 gmol/h. 0. - Considere el siguiente set de reacciones en fase gaseosa [P T = 3 atm (constante)]: A B r = k 1 k 1 (mol.l -1.h -1 ) = e [1.1 6900/T(K)] H 1 = -5000 cal.mol -1 (constante) B C r = k.c B k (h -1 ) = e [5.64 6850/T(K)] H = 500 cal.mol -1 (constante) A D r = k 3 k 3 (mol.l -1.h -1 ) = e [1.1 6950/T(K)] H 3 = -5000 cal.mol -1 (constante) El proceso se lleva a cabo en un RTFPI adiabático del cual se conocen los siguientes datos:
Ingeniería de las Reacciones Químicas Alimentación 3.5 m 3 1.5 m 3 Corriente de Salida Inerte FIo: 0.85 kmol.h -1 CpI:.5 cal.mol -1.K -1 (constante) TIo: 339. K Alimentación A puro v 0 : 0 m 3.h -1 C A0 : 1 mol.l -1 T A0 : 300 K C PA = C PB = C PC = C PD :.5 cal.mol -1.K -1 (constante) Salida del Reactor F C : 4.68 kmol.h -1 F D : 5.81 kmol.h -1 T: 410 K Se pide: a) Calcular la conversión de A en la corriente de salida. b) Calcular la conversión de A en el punto de remezcla (inyección de inerte). Notas: R = 0.08 atm.l.mol -1.K -1 En el método de Runge Kutta, emplear 30 intervalos. 1. - Analizar la estabilidad de los puntos de trabajo del Problema. - A efectos de evaluar la estabilidad de reactores bajo ciertas condiciones operativas se ensaya un RCAI de 1 litro de volumen, sumergido en un baño a 87 C, con un {área de contacto de 50 cm y un coeficiente de intercambio térmico global de U= 0.1 cal/cm.min.k. En dicho reactor se lleva a cabo la reacción de segundo órden A+B C en fase líquida y bajo las siguientes condiciones: Cao = 0 gmol/l Cbo= 3 gmol/l vo= 100 cm 3 /min T entrada = 17 C Cp = 650 cal/l.k ( cte) AH R = -0 kcal/gmol k= 33 X 10 9 exp (-0000/RT) l/mol.min. a) Graficar la curva de calor generado y calor extraido vs temperatura dentro del reactor. b) Determinar los posibles puntos de trabajo del sistema y evaluar su estabilidad c) Calcular la temperatura a la que debería entrar la mezcla para obtener la máxima de las conversiones halladas den b), para el mismo reactor operando adiabáticamente. d) Determinar la estabilidad de dicho punto de funcionamiento. 3. - En planta se esta llevando a cabo la producción de B a partir de A puro en un RCAI de 500 litros de volumen, que se encuentra trabajando en su punto optimo. El esquema operativo es el que se indica a continuación.
Ingeniería de las Reacciones Químicas C Ao = 0.8 mol/l vo= 100 L/min C p = 980 cal/k..l Adiabático Se desea aumentar la producción de B manteniendo las mismas condiciones de entrada al sistema ( v o, C Ao y T e ), para lo cual se plantean las siguientes alternativas que se detallan a continuación. Alternativa A: Aplicar un reciclo al RCAI, sin restricciones en el caudal a aplicar. Alternativa B: Conectar un RCAI idéntico al que esta funcionando (igual volumen, igual aislación) en serie con el actual. Alternativa C:Conectar un RCAI en serie de 500 litros de volumen con un sistema de intercambio consistente en una camisa cuyo UA es 115 kcal/min. C y disponiendo como fluido de enfriamiento agua a 15 C sin restricciones en su caudal. Determine cual o cuales de las alternativas permiten cumplir con el objetivo planteado. Justifique su respuesta. Seleccione la alternativa que permite optimizar la producción de B y determine para ella los parámetros operativos del nuevo sistema. Analice la estabilidad del mismo. Datos adicionales Datos cinéticos k 1 A B k1 = exp ( 15.8-11400/RT) min -1 T en K, R= cal/mol.k k K = exp ( 38.8-8100/RT) min -1 Fluidos de intercambio que dispone en planta: Agua a una temperatura de 15 C, Cp del agua = 980 cal/ K.l Consideraciones que puede realizar Capacidades caloríficas independientes con la temperatura en el rango de trabajo. Entalpía independiente de la temperatura en el rango de trabajo La camisa se comporta como un tanque agitado ideal. 4. - Una planta industrial lleva a cabo la producción de P, a partir de A puro (r A = kc A ) en un reactor adiabático, que puede considerarse como RCAI, de 5 m 3, tratando 1 m 3 h -1 de una solución M en A. Se propone quitar el aislante del reactor instalando en su lugar una camisa. Dentro de la misma, se hará circular cierto fluido de refrigeración el cual se evaporará a temperatura constante (Tc = 383 K). a) Determine el(los) posible(s) punto(s) de operación del reactor operando con la camisa antes descrita. b) Realice un estudio de estabilidad de los puntos determinados en la parte a). Si la pureza requerida de P es del 99%, es posible de alcanzarla en el reactor refrigerado?. c) Determine el tiempo de arranque del sistema según las siguientes condiciones iniciales: - Reactor cargado con una mezcla 50%(A)-50%(P). - T = 440 K Notas y Sugerencias (para la parte c): - Llamaremos tiempo de arranque, al tiempo transcurrido para que las trayectorias de conversión y temperatura en el reactor, completen al menos, y
Ingeniería de las Reacciones Químicas simultáneamente, el 95% de la trayectoria total desde las condiciones iniciales, hasta los respectivos valores de estado estacionario. - Emplear como mínimo 30 puntos de discretización, para la resolución por Runge-Kutta. - Por experiencia previa en el proceso, se sabe que el tiempo de arranque buscado, no supera los 90 minutos. Datos: ΔH R = -75 kcal/mol C Puv = 3 kcal/l.k Te = 383 K k = 1E-4.exp(38 13.50/T) h -1 UA = 600 kcal/h.k 5. - La reacción A B se lleva a cabo en un RCAI adiabático de V = 100L. La alimentación es una disolución de A en un solvente inerte con concentración 0. mola/l y v o = 1 L/min, que se conserva a 0ºC. a) Determinar el punto de operación del reactor. b) A cuánto debería calentarse o enfriarse la entrada para optimizar la producción de B? c) Alternativamente, para trabajar en el punto óptimo se piensa sustituir la aislamiento por una camisa isotérmica de la que se sabe que UA = kcal/min.k y trabaja con una entrada de agua a 50ºC. Qué caudal de líquido calefactor debe usarse? (Se mantiene la entrada de reactivo a 0ºC) d) En el caso de que no se implementen ninguna de las opciones planteadas en b) y c), qué conversión de A se alcanza luego de 650 minutos de arrancado el reactor, partiendo del reactor lleno solo con solvente y a 0ºC (condiciones adecuadas para lograr un buen arranque)? Datos: k 1 = exp(15-5700/t) min -1, T en K (cte. reacción directa) k = exp(39-14000/t) min -1, T en K (cte. reacción inversa) c p, uv = 100 cal/l.k c p, H0 = 1000 cal/l.k R = cal/mol.k 6. - Considere la siguiente reacción en fase líquida en presencia de inertes: A B r = k 1.C A k 1 (h -1 ) = e [.64 6850/T(K)] H = 1000 cal.mol -1 (a 400 K) El proceso se lleva a cabo en un RCAI no aislado el cual se encuentra a la intemperie. Se conocen los siguientes datos: Alimentación Salida Ambiente Alimentación Reactor Ambiente Otros T 0 : 400 K V = 10 m 3 T = 30 C CpA = 30 cal.mol -1. C -1 (constante) v 0 : 5 m 3.h -1 UA = 100 kcal.h -1. C -1 CpB = 15 cal.mol -1. C -1 (constante) C A0 : 1 mol.l -1 CpI = 30 cal.mol -1. C -1 (constante) C I0 : 1 mol.l -1 (Inerte) R = cal.mol -1.K -1 a) Calcular el punto de operación del reactor. b) Graficar las curvas de calor generado y eliminado indicando los puntos que Ud. considere relevantes. Explicar conceptualmente la forma de las curvas obtenidas.