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Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Rosario
Cátedra de Ing. De las Reacciones
PRACTICA 3
REACTORES IDEALES
2016
Ing. Roque Masciarelli - Ing Silvia Stancich - Ing. Stoppani Fernando
Ingeniería de las Reacciones Químicas
1. Un reactor discontinuo de volumen igual a 200 litros que se mantiene constante, está a una
presión de 20 atm y se alimenta con 75% de A y 25% de Inertes, la reacción es en fase gaseosa
A  B C
con la siguiente estequiometría:
a) Si la reacción es de primer orden calcule el tiempo necesario para consumir el 99% de A, con
k = 0,1 min-1 a 227ºC
b) Calcule el tiempo en que se consume el 80% de A y la presión en el reactor en ese momento,
si la temperatura es de 127°C y la reacción es de segundo orden, donde
k  0,7
l
mol. min
2. Los datos de la siguiente tabla corresponden a la descomposición del reactivo A puro en un
reactor a volumen constante.
t [min]
0
20
pA [atm]
0,8
0,37
La estequiometría de la reacción de primer orden es: 2 A  R + S
Se desea producir R en un reactor discontinuo de 200 lt de capacidad, operando a 100 ºC, el que
se alimenta con una mezcla de 70% de A y 30% de inertes. Teniendo en cuenta que se requieren
8 minutos para carga y descarga del reactor, determinar en que caso se obtendrá una mayor
producción horaria de moles de R: a) con una conversión de A del 90%, o b) con una del 80% c) la
presión total a la que se realiza la reacción.
3. La reacción de esterificación de ácido acético(Ac etanoico) y alcohol etílico:
H3C
O
C OH
k1
+
H3C
CH2 OH
O
H3C C O CH2 CH3
k2
+
H2O
Se realiza en presencia de agua y ácido clorhídrico (que actúa como catalizador).
La velocidad de esterificación está dada por:
-rA = k1 CA CB - k2 CC CD
Donde, k1 = 4,76.10-4 lt/(mol .min) y k2 = 1,63.10-4 lt/(mol . min). Se carga un reactor discontinuo
que opera a 90 ºC con 380 litros de una solución acuosa que contiene 90 kg de ácido acético, 180
kg de alcohol etílico y una concentración de HCl igual a la empleada para obtener las constantes
de velocidad. La densidad puede suponerse constante e igual a 1,042 g/cm 3. Para el cálculo de
las concentraciones se supone despreciable el HCl.
Se desea conocer: a) conversión al cabo de 120 min.
b) conversión de equilibrio.
4. La reacción de primer orden A  B , se efectúa en un reactor tubular en el que la velocidad de
flujo volumétrico (v) es constante.
a) Deduzca una ecuación que relacione el volumen del reactor con las concentraciones de
entrada y de salida de A, la constante de velocidad y la velocidad de flujo volumétrico.
b) Determine El volumen de reactor necesario para reducir la concentración de salida al 10 % de
la concentración de entrada cuando: v= 10 dm 3/min ; k=0,23 min-1
1
Ingeniería de las Reacciones Químicas
5. La siguiente reacción ocurre en un reactor MC a una temperatura de 24°C, A  B  C . Por
estudios cinéticos se sabe que (–rB) = k1.CA.CB. Si k0= 1,77.1010 l/mol.min y la energía de
activación es de 18020 cal/mol.
R  1,985
cal
mol K
a) Averiguar la conversión alcanzada por B si los datos operativos de entrada son los que se
muestran a continuación y el reactor tiene un volumen de 7,9287 m 3 y trabaja con un nivel de
líquido del 85%.
--------------A
B
Kmol
m3
h
4,9123
5,0404
h
272,1580
70,0560
b) Resolver el apartado anterior gráficamente.
c) Para obtener la misma conversión que volumen tendrá un reactor FP.
d) Calcule la productividad anual másica del reactor FP, si el mismo tiene dos paradas anuales de
3 días cada una, que se utilizan para mantenimiento. Dato: MMc = 145
6. La reacción 2A  C  D se efectúa en un reactor con un caudal de 3.000 l /h. La concentración
inicial de A es de 25 mol/ l , siendo nulas las de los componentes C y D. La velocidad especifica
de reacción directa es de 0,62 l /mol.h y la constante de equilibrio termodinámica es K eq=16. Las
velocidades de reacción directa e inversa son elementales.
A) Si desea obtener sólo el 80 % de la conversión de equilibrio en un solo reactor mezcla
completa, que volumen tendrá el mismo.
B) Si se dispone de reactores MC cuya capacidad es la décima parte de la calculada en el
apartado anterior Cuantos de estos tanques han de montarse en serie. Experimentalmente se ha
obtenido la siguiente grafica.
300
250
-rA
200
150
100
50
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
conversión
2
Ingeniería de las Reacciones Químicas
7. El reactante gaseoso A se descompone según:(reacción isotérmica con cambio de volumen).
A → 6R
-rA = 0.6 (min-1)*CA
vo = 200 Lt/min
CAo = 3 mol/l (puro)
a) Hallar la conversión en un reactor FP de 600 litros.
b) Calcular la conversión en un reactor de MC del mismo volumen.
c) Hallar la conversión alcanzada en 3 reactores MC de 200 litros.
d) Hallar la conversión alcanzada en 3 reactores MC de 200 litros (sin tener en cuenta la variación
de volumen)
8. La descomposición isotérmica en fase gaseosa de A es: A  B  C . Mediciones de laboratorio
muestran:
XA
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.85
-rA
(mol/dm3. s)
0.0053
0.0052
0.0050
0.0045
0.004
0.0033
0.0025
0.0018
0.00125
0.001
La temperatura es de 300°F y la presión total es de 10 atm. La carga inicial fue una carga
equimolar de A e inerte con un caudal de v=6 dm 3/s
a) Calcule el volumen necesario para alcanzar una conversión del 80% en un reactor MC.
b) Si la reacción se lleva en un FP, calcular el volumen necesario para llegar a una conversión del
80%.
c) Si tengo 2 MC en serie y en el primer reactor se logra una conversión del 40%. Que volumen
total deben tener los dos reactores para una conversión del 80% de la especie A.
d) si se realizara en 2 FP, en el primero se llega a una conversión del 40% y con el segundo se
llega al 80%. El volumen de estos dos reactores es mayor o menor que el de un solo reactor.
9. Sea la reacción A  2B en fase gaseosa e irreversible. Si CAO=0,2 mol/l y se alimenta con un
caudal de 5 m3/s; experimentalmente se ha determinado que:
X A  0,5
1
m3 s
 3.102
rA
mol
X A > 0,5
1
 3.102  1.101.( X A  0.5)
rA
Para
a) ¿Para qué conversión un reactor FP y un MC tendrán volúmenes iguales?
b) ¿Cuál es la conversión máxima que se alcanza en un reactor MC de 900 litros?
c) ¿Qué volumen es necesario en un reactor FP para alcanzar el 70% de conversión?
d) ¿Cuál es el volumen necesario de un MC para llevar la conversión del 70% al 90%?
e) Si la reacción se lleva en un reactor discontinuo a presión constante ¿Cuál es el tiempo
necesario para alcanzar el 40% de conversión?
3
Ingeniería de las Reacciones Químicas
10. La figura muestra CAo  f ( X ) , para una descomposición del reactivo A en fase liquida, no
A
 rA
elemental y de reacciones múltiples:
XA1=0.3
XA=0.7
Sistema I
XA1=0.3
Sistema II
XA=0.7
7
a) Considere los dos sistemas que se muestran. La conversión intermedia es 0.3 y la final 0.7.
¿Cómo deberán acomodarse los reactores para obtener el volumen de reactor total mínimo?
Explique.
b) Si la velocidad de flujo volumétrico es de 50l/min. ¿Qué volumen mínimo tendrá el sistema de
reactores más conveniente?
c) Existe alguna forma de obtener un volumen mínimo con algún sistema distinto de los
propuestos aquí. ¿Cuál es el volumen?
11. Para la siguiente reacción: A  R
(-rA) = 0.9 min-1 CA
donde
a) Determinar XAi en forma analítica, para 2 MC en serie si la conversión final es de 0,7 si se
desea una operación optima.
b) Verificar gráficamente que:
C C
d  C  r
r



dx  r 
x
Ao
A0
A
A
Af
A0
A
A
l
12. Siendo una reacción de segundo orden, donde ( rA )  1,5
2
.CA .
mol.min
si CAO=1 mol/l y la reacción se lleva a cabo en 2 reactores MC en serie de distintos volúmenes.
Determinar para una operación optima:
a)
La ecuación que relaciona XAi = f(XAf)
b)
Los valores de XAi correspondientes a XAf = 0.5 ; 0.7
c)
Para cada uno de los valores anteriores determinar V 1/ V2, considerando v 01 = v02
d)
Verificar la veracidad de los valores calculados en b) en la grafica CA0 /( rA )  f ( X A )
y
0.9.
4
Ingeniería de las Reacciones Químicas
13.
Para una reacción en fase liquida A  B , donde –rA = 0.6 min-1.CA
a 25 °C. Se dispone de
un reactor MC de 1000 litros donde se procesan 200 litros por minuto, siendo C A0= 1mol / l
Utilizando graficas de ISODANKOLLER:
a) Calcular la conversión alcanzada y verificar los resultados analíticamente.
b) Determinar las condiciones de trabajo (v 1) y conversión obtenida para 3 MC del mismo
volumen que el anterior, para ND=cte.
c) Calcular el volumen de un reactor FP para obtener la misma conversión que en a) con el
mismo caudal.
14.
En un reactor mezcla completa se hace reaccionar un reactivo A, transformándose el 50 % en
producto por medio de una cinética de primer orden. Se pretende instalar un segundo reactor
similar a éste en serie con él. Resolver gráficamente.
a) Para tratar la misma cantidad de sustancia que la actual ¿cómo afectará la conversión de
reactivo esta adición de un reactor?
b) Para obtener la misma conversión del 50 % ¿en cuánto puede aumentarse la cantidad de
sustancia a tratar?
15.
Dada una reacción química reversible de orden cero en ambos sentidos, en fase
líquida: A  B  C y (-rA) = k1 –k2
(T = ºK )
Donde: k1 = 15 e-1500 / T , k2 = 2,5 e-1000 / T
[mol/Lt. Min]
CAo = 6 mol/Lt
CAf = 2 mol/Lt
a) Determinar  para MC y FP a 100 ºC y 200 ºC.
b) Graficar CA0/(-rA)= f(xA) a las dos temperaturas indicadas y en el mismo gráfico. Extraer
conclusiones.
c) Graficar CA vs tiempo a dichas temperaturas para un reactor discontinuo.
16.
Tres reactores mezcla completa en serie, son usados para llevar a cabo la siguiente
reacción: A  P , la cual ocurre en solución acuosa y es de segundo orden respecto a A.
CAo  1,5
mol
l
k  0, 04
l
mol min
vo  2,5
l
min
a) ¿Determinar analíticamente X Af si V1  10l V2  20l V3  50l ?
b) Determinar gráficamente el apartado anterior.
17.
Una corriente líquida que contiene una sustancia A reacciona para producir R y S como se
muestra a continuación:
k1
A 
 R ( primer orden)
k2
A 
S
( primer orden)
La corriente de alimentación (CAo = 1 mol/l; CRo=CSo=0), entra en un sistema formado por dos
reactores MC en serie. Conociendo la composición en el interior del primer reactor (C A1=0,4
mol/l; CR1=0,4 mol/l; CS1=0,2 mol/l). Hallar la composición a la salida del segundo reactor si el
tiempo espacial del primer reactor es 2,5 min y el del segundo de 5 min.
5
Ingeniería de las Reacciones Químicas
18.
Se conoce que la estequiometría de descomposición en fase líquida de A es:
En una serie de experimentos (CA0
A→R
A→S
= 100 mol/l, CR0 = CS0 = 0) en estado estacionario en un
reactor de laboratorio de mezcla completa se obtuvieron los siguientes resultados:
CA (mol/l)
CR (mol/l)
90
7
80
13
70
18
60
22
50
25
40
27
30
28
20
28
10
27
0
25
Experimentos posteriores indican que el nivel de C R y CS no tiene efecto en el avance de la
reacción.
a) Graficar el rendimiento instantáneo en función de C A
b) Con una alimentación CA0 = 100 mol/l y una concentración de salida C Af = 20 mol/l, halle la
CR a la salida de un reactor de flujo en pistón
c) Con CA0 = 100 mol/l y CAf = 20 mol/l, halle la CR a la salida de un reactor de mezcla completa
d) ¿Cómo debe operarse un reactor de mezcla completa para maximizar la producción de R?
Obs: No se conocen las cinéticas de ninguna de las reacciones
19.
k
k
C
B
n 0
n 1
Sea la reacción A 
que va acompañada de otra indeseable A 
.
2
1
La conversión de A es del 90% y CAo=4 mol/l. Si
 mol 
 r1  2 

 l  min 
y
 r2  C A
 mol 
 l  min 


a) Calcular el rendimiento global para un MC y un FP.
b) El tiempo espacial para ambos reactores
20.
Si el producto deseado es R, ordenar los siguientes esquemas del más favorable al menos
favorable.
21.
Sea la reacción en fase liquida:
k1
A  B 
R
k2
A  B 
S
rR  1.CA1,5CB0,3
rs  1.CA0,5CB1,8
Calcular la concentración de R en la corriente de producto para una conversión del 90% de A.
Al reactor se alimenta con flujos volumétricos iguales de A y B y cada corriente tiene una
concentración de 20 mol/l de reactivo puro.
a)
Para un reactor FP
b) Para un reactor MC
6
Ingeniería de las Reacciones Químicas
22.
Supongamos la descomposición en paralelo del reactivo A, donde CAO=2mol/l
¿Calcular la máxima cantidad del producto S que se obtiene a temperatura constante?
a) En un reactor MC
b) En un reactor FP
c) Determinar la disposición que produzca la máxima cantidad de S
23.
Se tiene la siguiente reacción isocórica irreversible de primer orden:
k1
k2
A 
 B 
C
k1=10 min-1
k2 =1 min-1
Calcular:
a) El tiempo para la cual la conversión de B es máximo; para un reactor discontinuo y para un
reactor MC.
b) El rendimiento para ambos reactores
24.
Calcular k2/k1 para la siguiente reacción:
a) Se agrega a un reactor discontinuo 0,6 moles de B y 1 mol de A. Al terminar la reacción
cuando se consumió todo B, quedan 0,6 moles de A.
b) Se mezclan 1 mol de A con 1,2 moles de B en un TAD y terminada la reacción quedan 0,5
moles de R (se agotó B).
c) Se mezclan rápidamente 1 mol de A y 1,2 mol de B. En el instante que se han consumido 0,8
moles de B, están presentes en la mezcla 0,2 moles de S.
Problemas propuestos
1. En un medio apropiado el reactivo A se descompone en fase líquida como sigue:
¿Qué relación debe existir entre los volúmenes de 2 reactores de mezcla completa en serie para
maximizar la producción de R, si CAo = 4 mol/l? También se sabe que CA2 = 0,5 mol/l
7
Ingeniería de las Reacciones Químicas
2. A temperatura ambiente la reacción de segundo orden en fase líquida, procede como sigue 2 A →
productos, -rA = 0,005 CA2 mol/L min, CA0 = 1 mol/L
Para llenar y limpiar un reactor discontinuo se invierten 18 min. ¿Qué conversión y tiempo de
reacción debe ser utilizado para maximizar la salida diaria de R?
Respuestas
1. a) 46 min
b) 12,7 min, 32 atm.
2. a) P=2,5 moles/h
3. a) XA= 0,33
4. a)
V
b) P=2,05 moles/h
b) XA= 0,54
C
v0 .ln  A0 
CA 

k
b) 100 l
5. a) XB = 0.48 c) V = 4523 l d)
6. a) 1820 l
b) 4
7. a) 0.52 b) 0.382 c) 0.475 d) 0,755
8. a) 555 l b) 223 l c) 363 l d) 223 l
9. a) entre 0 y 0.5 b) 0.03 c) 23 m3 d) 14 m3 e) 2 s
10. a) II b) 750 l c) un MC de 525 l
11. b) 0.45
12. b) 0,31-0,50-0,74 c) 0,86-0,79-0,69
13. a) 0.75 b) 0.875 c) 470 l
14. a) 0.75 b) 2,4 min
15. MC y FP (100 ºC) 40,8 min – MC y FP (200ºC) 12,23 min
16. a) 0.58 b) 0,58
17. CA2=0,1 mol/l
CR2=0,6 mol/l
CS2=0,3 mol/l
18. b) 44 mol/l c) 28 mol/l d) 25 mol/l
19. a) ΦMC = 0,83
ΦFP = 0,51 b) 1,5 min – 0,92 min
20. --21. A) 2,88 mol/l B) 4,4 mol/l
22. A) 0,66 mol/l B) 0,86 mol/l C) 0,886 mol/l
23. A) 0,256 min - 0,316 min B) 0,77 - 0,58
24. A) 3
B) 0,4 C) 1
Problemas propuestos
1) V1/V2=1 (CA1=1,74 mol/l)
2) 1Hora, XA=0,23
8
Ingeniería de las Reacciones Químicas
100
90
80
70
ND=20
0
ND=100
ND=500
60
50
40
30
ND=20
20
τMC/τFP
ND=10
ND=5
10
9
8
7
6
ND=2
ND=1
5
4
3
Reacción irreversible para
orden 2 y fase líquida
2
N=1
N=2
N=3
1
0,1
0.2
0.4
0.
3
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Xa
9
Ingeniería de las Reacciones Químicas
3
ND  5
Reaccion de Primer Orden.
ND  3
2,5
 MC , N
 FP
N 1
ND  2
ND  1
2
N 2
N D  0.5
N 3
1,5
1
0,5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
XA
10
Ingeniería de las Reacciones Químicas
1
1
K2/k1=0
SERIE-PARALELO
Reactor FP o discontinuo
0,9
0,8
0,8
1,2
K2/k1=0,1
0,6
0,7
K2/k1=0,3
CR/CAo
0,6
1,4
0,4
0,5
K2/k1=0,5
0,4
1,6
K2/k1=1
B consumido
0,2
K2/k1=1,5
0,3
K2/k1=3
0,2
1,8
K2/k1=5
0,1
K2/k1=10
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
XA
11