BALANCE DE MATERIA (ILQ-105) - ramos on

IWQ-230 FENOMENOS DE PROCESOS
Reactores
1. Para la reacción A+ B + C = R + S , con cinética r R = k cA cB cC / cR se propone el mecanismo:
A + B
X* + R
C + X*
S
Determine si el mecanismo propuesto es consistente con la cinética.
2. Una reacción A
t (min)
CA (mol/m3)
R ocurre en fase acuosa en un reactor batch. La concentración de A es monitoreada en el tiempo:
0
100
200
300
400
1000
500
333
250
200
Encontrar la conversión, al cabo de 5 horas, si se procesa una solución con una concentración inicial C AO = 500 mol/m3 en
un reactor batch.
3. Una reacción de polimerización procede de acuerdo a :
3A
A3
-rA = k cA 1.8
La reacción ocurre isotérmicamente en un CSTR. Si el reactor tiene un volumen efectivo V, y la concentración de A
alimentado es cAO , determine la conversión de salida Af y la concentración de salida cAf.
4. Un compuesto contaminante debe ser degradado antes de ingresar a una planta de tratamiento. Ensayos en un reactor
batch indican que la reacción A
R ocurre con la siguiente cinética:
t (hr)
0
CA (mol/m3)
1000
1
2
3
4
50
2.5
0.120
0.006
En condiciones reales de planta, la concentración inicial de A en el efluente será de 120 mol/m3 y el flujo de 200 lt/min.
a) Determinar el volumen requerido en un estanque agitado (CSTR), para que la concentración se reduzca a la vigésima
parte (6.0 mol/m3)
b) Determinar la concentración de salida de A si en vez de tratar el efluente, se hace pasar por un canal (estrecho) que
tiene un tiempo de residencia estimado de 20 minutos. Asumir que la hidrodinámica del canal se asemeja a la de un
reactor de flujo tapón (PFR).
5. Un reactante gaseoso A, con una concentración inicial CAO = 1000 mmol/lt, dimeriza isotérmicamente en un reactor PFR
( 2A
R). El reactor fue operado con distintos flujos, obteniéndose las siguientes concentraciones de salida:
 (s)
130
65
34
CA (mmol/lt)
100
200
400
a) Encontrar la cinética de la reacción a partir de esta información
b) Determinar el flujo con que debe operarse un reactor plug (PFR) de 100 litros, para procesar una corriente con
CAO = 0.4 mol/lt con una conversión del 70%.
c) Repetir el cálculo y determinar la capacidad de proceso (flujo) si en vez de un reactor plug, se utiliza un reactor CSTR
del mismo volumen (100 litros).
6. Una enzima cataliza la fermentación de un sustrato A (reactante), que se transforma en un producto R. Encontrar el
tamaño de reactor CSTR necesario para obtener una conversión del 95%. El flujo de alimentación es de 25 lt/min y la
concentración de entrada de A es de 2 mol/lt. Para la concentración de enzima utilizada, la cinética de la reacción es:
A
R
-rA = 0.1 CA / (1 + 0.5 CA) mol/(lt min)
7. Para el problema anterior, considerar que la reacción se realiza en dos reactores conectados en serie, de igual volumen.
Determinar el volumen (igual) de cada reactor y las condiciones de salida del primer reactor.
8. La Diciandiamida (DCD) es una importante materia prima para la preparación de productos farmacéuticos y explosivos.
Esta se forma por la dimerización en medio acuoso de la cianamida, de acuerdo a la reacción:
aq
2H2CN2
(H2CN2)2
La dimerización se completa en 10 horas a 40 C, y toma 6 horas a 60 C. ¿Cuánto tiempo tomará la reacción a 85C?
9. La urea en solución concentrada forma lentamente un condensado de acuerdo a la reacción:
2NH2-CO-NH2
NH2-CO-NH-CO-NH2 + NH3
(condensado)
A 100 C, se forma una pequeña cantidad de condensado en 24 horas. Si la temperatura aumenta a 150 C, la misma
cantidad de condensado se forma en una hora. Calcular la energía de activación de la reacción.
10. Una sustancia A reacciona en fase líquida para producir dos productos R y S de acuerdo a:
A
A
R
S
(primer orden)
(segundo orden)
Una alimentación que contiene sólo A, con una concentración CAO = 1.0 mol/m3 entra a un reactor CSTR que tiene un
tiempo de residencia de 2.5 min. La composición de salida del reactor es C A = 0.4 mol/m3, CR = 0.4 mol/m3 , CS = 0.2
mol/m3. Se está planeando colocar un segundo reactor en serie con el primero, del mismo volumen. Determinar las
concentraciones de salida para el sistema de dos reactores.
11. Bosqueje en el gráfico respectivo las concentraciones en función del tiempo para las reacciones indicadas. Marque
claramente las asíntotas ó líneas de tendencia (t = tiempo, c = concentraciones = cA, cB, cR, cS).
reacción irreversible
reacción reversible
A
R
S
A
c
R
S
c
t
A
A
t
R
S
A + B
R + B
c
R
S
c
t
t
12. Un subproducto indeseable M debe ser degradado antes de ser dispuesto para su eliminación. Ensayos en un reactor
batch, realizados a 18 ºC, indican que este subproducto se descompone de acuerdo a la cinética:
cM (gmol/m 3)
35.0
23.5
15.7
10.5
7.1
4.7
t (min)
0
5
10
15
20
25
A partir de esta información, determine:
a) El tamaño de un reactor CSTR requerido para procesar 5000 litros por minuto de una corriente que contiene 60 gmol/m 3
de subproducto M. El nivel máximo de M en la descarga no debe exceder los 3 gmol/m3.
b) Repetir los cálculos, considerando que la reacción ocurre en un PFR.
c) Explique las diferencias en el tamaño de los reactores.
13. En un reactor CSTR se realizan ensayos a distintas temperaturas, en el que ocurre la dimerización de un compuesto A,
de acuerdo a :
2A
A2
SE SABE que la cinética es de SEGUNDO ORDEN. Los resultados de los ensayos son los siguientes:
Volumen Reactor
: 20 litros
Flujo
: 0.1 lt/s
Concentración de entrada de A (CAo) : 10 gmol/lt (fija)
Concentración de salida de A (CAf) : Depende de la temperatura, de acuerdo a la siguiente tabla:
T (ºC)
20
40
60
80
CAf (gmol/lt)
0.47
0.38
0.31
0.26
Determine las constantes de Arrhenius (ko, E/R) para la reacción de dimerización.