guia de problemas - capitulo 8 - efectos termicos

Captulo 8 Efectos Trmicos Gua de Problemas

Captulo 8 Efectos Trmicos 1

GUIA DE PROBLEMAS

1. Determine la expresin del balance de energa general para un reactor que opera

en estado estacionario si:

1.1. En el reactor se lleva cabo una reaccin nica e ingresan y egresan varias corrientes a distintas temperaturas.

1.2. El reactor tiene una sola corriente que ingresa y egresa del equipo y se

llevan a cabo las siguientes reacciones:

1.2.1. AB

AC

1.2.2. AB 2. La reaccin de craqueo de etano en fase homognea se efecta de acuerdo a la

reaccin:

C2H6 C2H4 + H2

La carga inicial del reactor es de 10 ft3 y est constituida por etano puro a 5 atm y 25C. Calcular la conversin final si este reactor se opera:

2.1. en condiciones adiabticas; 2.2. en condiciones isotrmicas.

La constante de velocidad de reaccin se da en la tabla adjunta y la cintica es

r=kCC2H

6

T (R) 600 610 620 630 640 650 660

k (h-1) 1.2 1.68 2.33 3.28 4.61 7.20 9.41

Se disponen los siguientes datos adicionales:

toperacion= 5h CpC2H6= 12.65 cal/mol K

CpC2H4 = 10.47 cal/ mol K

CpH2= 3.41 cal/ mol K

Hr=1500 cal/mol

3. Un sistema reaccionante compuesto por dos celdas agitadas entre las que se

puede transferir calor, funciona en forma continua segn el siguiente esquema:



exotrmica

A C -rA = k1 CA

endotrmica

BD -rB = k2 CB

En este sistema se han llevado a cabo experiencias cambiando las alimentaciones y midiendo las temperaturas segn el siguiente cuadro:

FAo, mol/min FB

o, mol/min T1, C T2, C

2 3.287 60 25.16

2 2.966 70 34.85

2 2.652 80 44.73

Determinar:

3.1. El coeficiente global de transferencia de calor. 3.2. La constante de velocidad k2 como una funcin de la temperatura.

DATOS:

V1 = V2 = 10 L = = 1 g/cm3 Te1 = 20 C v1 = 10 L/min Cp1 = Cp2 = 1 cal/g K Te2 = 30 C

v2 = 30 L/min H1 = -2500 Kcal/mol k1 = 775 exp(-1800/T) min

H2 = 1500 Kcal/mol AT = 464 cm2 4. La reaccin elemental en fase lquida A+B 3C es endotrmica. Se lleva a cabo

hasta conversin prcticamente total en un reactor TAC, calefaccionado mediante una camisa por la que circula vapor saturado. A partir de los datos siguientes, calcular la temperatura de operacin del reactor en estado estacionario.

DATOS: V=125 gal A=10 ft2 (rea de transferencia de calor) Vapor: a 150 psig (Tsat=365.9 F) U=150 BTU/h ft2 F Potencia agitador=25 HP HR=20000 BTU/mol lb A (independiente de T)



Componente

A B C

Alimentacin (mol lb/h) 10 10 0

T0 (F) 80 80 -

Cp (BTU/mol lb F) 51 44 47.5

PM (lb/mol lb) 128 94 -

(lb/ft3) 63 67.2 65

5. Se desea realizar la reaccin cuya estequiometra es:

A + B C

en fase lquida en una serie de 2 TAC. Dado que la especie B es muy cara, se eligen las condiciones de reaccin de modo que haya un gran exceso de A y en consecuencia, la cintica se vuelve de pseudo - primer orden en B

r = k CB

La reaccin es exotrmica y el control de temperatura de ambos reactores se hace por intercambio de calor con agua hirviendo a 1 atm. El primer reactor trabaja a 106 C y el segundo a 117 C. A estas temperaturas, las constantes cinticas son:

T = 117 C k = 2.79 10-3

seg-1

T = 106 C k = 0.93 10-3

seg-1

El volumen de cada reactor es 0.8 m3, v0 es 1.1 litro/seg y la conversin total de B es 0.8. La capacidad calorfica de la mezcla se considera constante e igual a 3.47 J/cm3 K y la alimentacin entra a 70 C. Determinar el rea de transferencia de calor para cada reactor.

H = - 69 KJ/molg (se considera constante con la temperatura). U = 68.10-3 J/seg.cm2 K en cada reactor. CB0 = 5.6 mol/l

6. Considere el siguiente sistema de reacciones consecutivas:

A P Xk k1 2

donde P es el producto deseado. Estas reacciones se llevan a cabo en fase lquida en una cascada de dos TAC en serie de igual volumen. Estos reactores son operados a la misma temperatura, de modo tal de maximizar la concentracin de P en el efluente del segundo reactor. El caudal de alimentacin es de 0.5 m3 /seg, la densidad del fluido es de 0.95 g/cm3, la capacidad calorfica de 3 J/g K, la concentracin de A en la alimentacin es de 1.5 kmol/m3, las constantes de velocidad son iguales a 0.125 seg-1, el volumen de cada

reactor es de 4 m3 y ambos reactores operaran a 93 C. Se conoce adems que H1

= -60 KJ/mol y H2 = 20 KJ/mol.



6.1. Si el primer tanque opera adiabticamente, determine a qu temperatura

debe entrar la alimentacin. 6.2. Cul es el valor del flujo calrico a entregar (o eliminar) al segundo reactor,

con el fin de mantener su temperatura en 93 C?

6.3. Considera que usando reactores de 4 m3 se maximiza la concentracin de salida del producto deseado? Justifique su respuesta.

7. La reaccin en fase lquida A + 2BC se lleva a cabo en una serie de dos TAC de

50 lt cada uno. El primero de ellos es adiabtico y el segundo intercambia calor con una camisa.

La velocidad de reaccin puede expresarse como:

rk C

AA B C

1+ k C k CA 2 I1

pero la determinacin de estos parmetros es muy compleja. Se sabe que la mezcla reactiva, que entra al primer reactor a 310 K con una composicin de CA0 = 1.2 mol/l, CB0 = 3.1 mol/l y CI0 = 15.5 mol/l, sale del primer reactor con una conversin del 62 % a 330 K e ingresa al segundo reactor del que sale con una conversin del 93 % a 335 K.

7.1. Calcular el calor de reaccin a 298 K. 7.2. Si el rea de transferencia de calor es de 2 m2/m3 y el refrigerante se

encuentra a TR=310 K, estimar el coeficiente global de transferencia de calor expresado como U/vo.

DATOS CpA = 7.1 cal/molg K ; CpB = 5.27 cal/molg K CpC = 9.40 cal/molg K ; CpI = 11.2 cal/molg K

8. La reaccin en fase lquida A B se lleva a cabo en un reactor tubular de flujo

pistn a una presin constante de 202.6 kPa. La alimentacin es de 600 kmol/kseg de A puro con una temperatura de entrada de 200C. A puro tiene un volumen especfico de 0.056 m3/kmol. El calor de reaccin a 200C es -15 kJ/mol. Los calores especficos molares de A y B son para ambos 42 J/mol K. La constante de velocidad de reaccin en este rango esta dada por:

k = 110 + 0.8 (T - 200)

donde T es la temperatura en C y k en kseg-1

El reactor debe funcionar adiabticamente, pero la mxima temperatura de reaccin permitida es de 400 C, ya que por encima de esta temperatura se forman compuestos no deseados. Teniendo en cuenta la siguiente propuesta de operacin:



Adiabtico Enfriado

7.1. Calcular el mnimo volumen de reactor necesario para obtener 80 % de conversin de A.

7.2. Cul debe ser la velocidad de transferencia de calor en la seccin de enfriamiento del reactor?.

9. La reaccin en fase gas AB se lleva a cabo en un reactor tubular. La alimentacin es A puro e ingresa al reactor a 600C. Estime el volumen de reactor necesario para convertir un 80% del reactivo alimentado cuando: 9.1. El reactor opera isotrmicamente a 600C. 9.2. El reactor opera adiabticamente. 9.3. Cul de los dos reactores elegira para llevar a cabo la reaccin? 9.4. Si la temperatura mxima admisible es 800C, cul de los dos reactores

(isotrmico o adiabtico) elegira para transformar A?

DATOS:

H =-1000 cal/mol CpA = 10 cal/mol K k = 20 exp(-5010.1/T) min-1 vo = 20 l/min

10. Una reaccin exotrmica A B se lleva a cabo en un reactor tubular no adiabtico en estado estacionario, donde el calor de reaccin es removido por un refrigerante a la temperatura TR (constante a lo largo de la posicin axial). La mezcla reactiva ingresa al reactor a una temperatura T0 = 340 K y su densidad puede asumirse constante. El reactor opera en condiciones de alta sensibilidad con respecto a TR, por lo que se desea evaluar la influencia de esta variable operativa sobre la conversin del reactivo A y sobre la temperatura del reactor.

10.1. Grafique conversin vs. y temperatura vs. , para distintas temperaturas del refrigerante: TR = 335, 337 y 339 K. Analice el comportamiento observado en las curvas anteriores.

10.2. Para cada valor de TR: Cul es el tiempo espacial () necesario para alcanzar una conversin del 65 %?

10.3. Grafique y analice los resultados anteriores en un plano temperatura vs. conversin. Incluir el caso de operacin adiabtica del reactor y comparar con los tres casos no adiabticos.



DATOS: Incremento de temperatura adiabtico: Tad =146 K

1 20.0

4 scd

U

pt(constante a lo largo del reactor)

K 11400E/R ,10 .94.3k donde, s 1201-

0 RT

E

ekk

11. La siguiente reaccin en fase lquida, reversible, elemental se lleva a cabo en un

RT: A B La corriente de entrada tiene un caudal de 10 dm3/s, una concentracin de 2 M de A y una temperatura de 310 K.

11.1. Calcule el volumen necesario para alcanzar el 90% de la conversin de equilibrio en un RT operado en forma adiabtica.

11.2. Ahora considere una serie de reactores con enfriamiento hasta 300 K entre etapas. Cuntos reactores son necesarios para alcanzar una conversin del 95% asumiendo que se alcanza el 99.9% de la conversin de equilibrio en cada etapa?

DATOS: CpA = CpB = 50 cal/mol K

Hr = -10000 cal/mol A

1-

6.3093

s 892.5525 Tek

TexKc

5.5011

610775.4

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