Baixe Problemas de Diseño de Reactores: Ejercicios Resueltos e outras Exercícios em PDF para Química, somente na Docsity!
Problemas de Diseño de reactores
Diseño de reactores discontinuos (batch)
1.- La sacarosa se hidroliza a 25 °C por la acción catalítica de la SACARASA en un reactor batch de volumen constante. La reacción es de primer orden y la constante cinética es k = 6.1x10-5^ s-1. Para una concentración inicial de 0.5 mol/L, calcule el tiempo requerido para obtener una conversión de 40% si el tiempo muerto(carga, descarga y limpieza es aproximadamente de 40 minutos. Asimismo, calcule el tamaño del reactor para obtener 200 kg /día de producto operando 12h/dia.
Solución
Reactor batch, V y T constantes
1.- Ecuación estequiometrica 𝐴 → 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜
2.- Ecuación cinética − 𝑟 (^) 𝐴= − 𝜕 𝐶 (^) 𝐴 𝜕 𝑡 =𝑘𝐶 𝐴 3.- Ecuación de diseño 𝜕 𝑡= −
𝑡=∫ 0 𝑋 𝐶 (^) 𝐴𝑜 𝜕 𝑋 𝑘𝐶 (^) 𝐴𝑜 ( 1 − 𝑋 ) 𝑡= 1 𝑘 𝑙𝑛 ( 1 1 − 𝑋 )
Reemplazando datos 𝑡=^ 1 6,12 𝑥 1 0 − 5 𝑙𝑛 ( 1 0,6 ) =8346,82 𝑠
Tiempo de operación por ciclo
Nº de ciclos de operación por día (^) ¿ 12 h / 𝑑𝑖𝑎 3 h /𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 4 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 /𝑑𝑖𝑎
𝑡 = 3 h 𝑜𝑟𝑎𝑠
Masa de producto por ciclo ¿ 200 𝑘𝑔 /𝑑𝑖𝑎 4 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/𝑑𝑖𝑎 = 50 𝑘𝑔/𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 Moles de producto por ciclo (^) ¿ 𝑛𝐴𝑜 𝑋 = 50000 𝑔 360 𝑔 /𝑚𝑜𝑙 =138,9 𝑚𝑜𝑙
Moles iniciales de A ¿^
Pero, 𝐶 (^) 𝐴𝑜= 𝑛 (^) 𝐴𝑜 𝑉 Luego, (^) 𝑉 =
2.- Ecuación cinética Identidad − 𝑟 (^) 𝐴= − 𝜕 𝐶 (^) 𝐴 𝜕 𝑡 =𝑘 𝐶 (^) 𝐴 𝐶𝐵
2 − 6 𝑋 + 5
0 𝑋 𝜕 𝑋 𝑋 2 − 6 𝑋 + 5
0 𝑋 𝜕 𝑥 𝑎 𝑋 2 +𝑏𝑋 + 𝑐 = 1
2 − 4 𝑎𝑐 𝑙𝑛
2 𝑎𝑥+ 𝑏 − √❑
√^36 −^^4 (^5 )=^4
[
2 𝑋 − 6 + 4 ]
[
𝑋 − 1 ]
[
5 (^
𝑋 − 1 )]^ (1)
Calculo de CAo
𝜌= 𝑤 (^) 𝐴𝑜+ 𝑤𝐵𝑜 𝑉
Pero,
Reemplazando 𝜌^ 𝑉^ =𝑤𝐴𝑜^ +^5 𝑤𝐴𝑜 𝑀 (^) 𝐴 𝑀 (^) 𝐵
4 (^ 17,5 𝑥 10
− 3
[
5 (^
0,9 − 1 )]
Reemplazando en (1)
Calculo del volumen del reactor:
Tiempo de operación por ciclo
Nº de ciclos de operación por día ¿ 12 h /𝑑𝑖𝑎 1 h /𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 12 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/𝑑𝑖𝑎 Masa de producto por ciclo ¿ 300 𝑘𝑔/𝑑𝑖𝑎 12 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 /𝑑𝑖𝑎 = 25 𝑘𝑔 /𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
4.- La descomposición de 2-cloro propano en propileno y cloruro de hidrogeno ocurre
mediante una reacción de primer orden, donde la constante de velocidad es:
Si la descomposición del 2-cloropropano ocurre en un reactor batch a 1000 K y 1 atm en fase gaseosa,
determine el tiempo requerido para que el volumen de la mezcla se incremente en un 25%. Asimismo
calcule el volumen final del reactor para producir 1 kg/h de propileno. El tiempo inactivo es
aproximadamente de 10 minutos. Inicialmente se mezclan volúmenes iguales de 2-cloropropano y vapor.
Reacción en fase gaseosa, reactor batch, isotérmico, volumen variable.
− 1
Solución
1.- Ecuación estequiometrica
2.- Ecuación cinética − 𝑟^ 𝐴= −^
1 𝑉 𝜕 𝑛𝐴 𝜕 𝑡 =𝑘 𝑛 (^) 𝐴 𝑉 𝑛𝐴𝑜
Integrando 𝑡= 1 𝑘 𝑙𝑛 ( 1 1 − 𝑋 )^ (1) Para T = 1000 K
− 3 Además, (^) 𝑉 =𝑉 (^) 𝑜 ( 1 + 𝜀𝐴 𝑋 ) 1.25 𝑉 (^) 𝑜=𝑉 (^) 𝑜 ( 1 − 𝜀𝐴 𝑋 ) 𝜀 (^) 𝐴=𝛿𝐴 𝑦 (^) 𝐴𝑜
Reemplazando en (1) 𝑡=
b) Calculo del volumen del reactor Tiempo de operación por ciclo
Nº de ciclos de operación por h (^) ¿ 60 𝑚𝑖𝑛/ h 15 𝑚𝑖𝑛/𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 ¿ 4 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/ h Masa de producto por ciclo (^) ¿ 1 𝑘𝑔/ h 4 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/ h =0,25 𝑘𝑔 Moles de producto por ciclo: 𝑛𝐴𝑜 𝑋 = 250 𝑔 42 𝑔 /𝑚𝑜𝑙 =5,952𝑚𝑜𝑙
