Problema Nº 1

Problema Nº 1
Una mezcla de gases consiste en 50 % de A y 50 % de gases inertes a 10 Atm (1013 kPa) e ingresan al reactor
con la velocidad de flujo de 6 dm3/ s a 300 º F. Calcule la concentración entrante de A, CA0 y la velocidad de
flujo molar entrante FA0 .
Solución:
Cálculo de la temperatura en Kelvin
Cálculo de concentración entrante de A
Cálculo de la velocidad de flujo molar entrante
Problema Nº 2
• A partir de los datos de la tabla que continúa, calcule el volumen necesario para alcanzar una conversión
del 80 % en un reactor CSTR.
• Grafique ( −1/ rA ) en función de la conversión, sombree el área que, al multiplicarse por FA0 daría el
volumen de un CSTR necesario para lograr una conversión del 80 %.
Solución:
• Cálculo de volumen para el reactor CSTR
• Gráfica en donde se representa el volumen de reactor CSTR
X
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,85
r
0,00530
0,00520
0,00500
0,00450
0,00400
0,00330
0,00250
0,00180
0,00125
0,00100
−1/r
188,679
192,308
200,000
222,222
250,000
303,030
400,000
555,556
800,000
1000,000
Tabla de Valores
Problema Nº 3
La reacción que describe la tabla del problema anterior se llevará a cabo en un PFR. La velocidad de flujo
molar entrante es la calculada en el problema anterior.
• Calcule el volumen del reactor necesario para lograr una conversión del 80 % en un PFR en forma analítica.
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• Grafique (−1/rA ) en función del tiempo, sombree el área que, al multiplicarse por FA0 daría el volumen de
un CSTR necesario para lograr una conversión del 80 %.
• Haga un bosquejo cualitativo de la conversión y de la velocidad de reacción a lo largo del reactor.
Solución:
• Cálculo del volumen para un reactor PFR
Fórmula diseño
Como no se puede integrar, la resolvemos por aproximación utilizando la regla de Simsom para 5 pundos y
• Gráfica en donde se representa el volumen de reactor PFR
• Bosquejo
Cálculo de V para X= 0,2 y (Regla de Simsom para 3 puntos)
Cálculo de V para X= 0,4 y (Regla de Simsom para 3 puntos)
Cálculo de V para X= 0,6 y (Regla de Simsom para 3 puntos)
Cálculo de V para X= 0,8 y (Regla de Simsom para 5 puntos)
Tabla de valores
X
r
0,00
0,00530
0,20
0,00500
0,40
0,00400
0,60
0,00250
0,80
0,00125
V
0,0
33,2
71,0
127,0
223,0
Problema Nº 4
Comparar los volúmenes de un CSRT y un reactor de flujo tampón (PFR) que se requieren para alcanzar una
conversión de 60 %. Utilizar los datos de (−1/rA ) y X calculados para resolver el problema 2. Las
condiciones de alimentación son las mismas en ambos casos y la velocidad de flujo molar FA0 entrante es de
5 mol/s. Interprete la situación a través de una gráfica.
Solución:
Cálculo de volumen para el reactor CSTR
Cálculo del volumen para un reactor PFR
Fórmula diseño
Cálculo de V para X= 0,6 y (Regla de Simsom para 4 puntos)
Gráfica de comparación de volúmenes de ambos reactores
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CSTR
PFR
Cálculos de los volúmenes de los distintos reactores a distintas conversiones para luego representarlas en un
gráfico.
Reactor FTR
Cálculo de V para X= 0,2 y (Regla de Simsom para 3 puntos)
Cálculo de V para X= 0,4 y (Regla de Simsom para 3 puntos)
Cálculo de V para X= 0,6 y (Regla de Simsom para 4 puntos)
Reactor CSTR
Tabla de Valores
Volumen
X
0
0,2
0,4
0,6
0
200
500
1200
CSTR
0
193
413
727
PFR
Para X= 0,2
Para X= 0,4
Para X= 0,6
Gráfica de variación de volúmenes de ambos reactores a distintas X
Problema Nº 5
Para los reactores CSTR en serie se logra una conversión del 40 % en el primer reactor. ¿Qué volumen total
deben tener los dos reactores para obtener una conversión global del 80 % de la especie A que entra en el
reactor uno? ( Si FA2 es la velocidad de flujo molar de A que sale del último reactor de la serie, FA2= 0.2 .
FA0 y FA0= 0.0867 mol/s)
Solución:
Volumen del 1º Reactor
Volumen del 2º Reactor
Gráfica en donde se representa los volúmenes de los dos reactores CSTR
Problema Nº 6
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Utilizando los datos de la tabla del problema 2, calcule los volúmenes de los reactores V1 y V2 para la
sucesión de flujo tampón que se muestra en la figura, cuando la conversión intermedia es del 40 % y la
conversión final es de 80 %. La velocidad de flujo molar es 0.0867 mol/s.
Solución:
Cálculo del volumen del primer Reactor PFR hasta una conversión del 40 %
Cálculo de V para X1= 0,4 y (Regla de Simsom para 3 puntos)
Cálculo del volumen del segundo Reactor PFR desde el 40% hasta el 80 %
Cálculo de V para X1= 0,4 , X2= 0,8 y (Regla de Simsom para 3 puntos)
Volumen total
Gráfica en donde se representa los volúmenes de los dos reactores PFR
Problema Nº 7
Calcule el volumen individual de los reactores y el volumen total para cada esquema de la figura con los datos
de la tabla del problema 2, si la conversión intermedia es del 50 % y FA0= 0.867 mol/s.
Esquemas
Para el Esquema A: tenemos en primer lugar un reactor PFR y en segundo lugar un reactor CSTR.
Cálculo del volumen del primer reactor en donde X1= 0,5 y utilizamos (Regla de Simsom para 6 puntos)
Cálculo del volumen del Segundo reactor, en donde X1= 0,5 , X2= 0,8
Volumen total
CSTR
PFR
Para el Esquema B: tenemos en primer lugar un reactor CSTR y en segundo lugar un reactor PFR
Cálculo del volumen del primer reactor en donde X1= 0,5
Cálculo del volumen del Segundo reactor, en donde X1= 0,5 , X2= 0,8 y tomo
Volumen total
CSTR
PFR
Problema Nº 8
Calcule la energía de activación para la descomposición del cloruro de benceno para dar clorobenceno y
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nitrógeno. Utilizando la siguiente información para esta reacción de 1º orden.
Solución:
K(1/s)
0,00043
0,00103
0,00180
0,00355
0,00717
T (kº)
313
319
323
328
333
− (LnK)
7,752
6,878
6,320
5,641
4,938
1/T
0,003195
0,003135
0,003096
0,003049
0,003003
Ecuación de Arrhenius Tabla de valores
Aplicando logaritmo natural
Multiplicando por (−1) nos queda:
Representando vs. , obtenemos la siguiente gráfica de pendiente
Cálculo de la energía de activación mediante el método gráfico, en donde nos basamos en la pendiente del
ajustamiento lineal realizado por un sistema informático (Excel)
Cálculo Analítico
Nota: Como los valores de k tienen unidad de [1/s] podemos concluir que la reacción es de primer orden
Problema Nº 9
La reacción exotérmica A + 2B −−−−−−− 2D es prácticamente irreversible a bajas temperaturas y la ley de
velocidad es:
Sugiera una ley de velocidad que sea válida a altas temperaturas en donde la reacción es reversible.
Solución:
La ley de velocidad para una reacción reversible debe:
• Satisfacer las relaciones termodinámicas en equilibrio
• Reducirse a la ley de velocidad irreversible cuando la concentración de uno de los productos de
reacción es cero.
Si es reversible, su equilibrio estará dado por:
entonces
Probando una ley de velocidad de la forma:
Satisface la primera condición pero no la segunda, si en un momento dado, la ley no toma forma de la ley
irreversible planteada al principio.
Entonces defino luego
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Ahora podemos plantear la siguiente ley:
la cual cumple con las dos condiciones
Ley de Velocidad para altas temperaturas en donde la reacción es reversible
Problema Nº 10
El Jabón consiste en sales de sodio y potasio de diversos ácidos grasos como los ácidos oleicos, esteárico,
pálmico, láurico, y mirístico. La saponificación para la formación del jabón a partir de soda cáustica acuosa y
estearato de glicerilo es :
3 NaOH(ac) + (C17H35COO)3C3H5 −−−−−−−−−−−−−− 3 C17H35COONa + C3H5(OH)3
Si X se representa la conversión del NaOH, preparar una tabla estequiométrica que exprese la concentración
de cada especie en términos de su concentración inicial y la conversión
Solución:
Llamando: A al compuesto NaOH(ac), B al compuesto (C17H35COO)3C3H5 , C al compuesto
C17H35COONa y D al compuesto C3H5(OH)3
Tomando como base de cálculo al NaOH, nos queda:
A + 1/3 B −−−−−−−−− C + 1/3 D
NaOH(ac),
A NA0
(C17H35COO)3C3H5 B NB0
C17H35COONa
C NC0
C3H5(OH)3
D ND0
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