REACTORES QUÍMICOS Primer Examen Parcial Parte I: Libro cerrado

18 de abril de 2005

Apellido, Nombres:

LU:

1. La reacción

BA 2⇔

es reversible, exotérmica y se lleva a cabo en fase gas en el reactor tubular con reciclo que se muestra en la figura 1

Figura 1

Usted ha sido puesto a cargo de la operación del reactor y tiene como objetivo maximizar la velocidad de producción de B (kmol B/h). Para ello, debe especificar cinco variables operativas en algún valor dentro de los rangos que se indican:

T: temperatura del reactor 250ºC ≤ T ≤ 350 ºC

P: presión del reactor 1 atm ≤ P ≤ 10 atm

fAF : caudal de alimentación fresca del reactivo A 8 kmolA /h ≤ f

AF ≤ 13 kmolA /h

fIF : caudal de alimentación fresca de inertes 5 kmolI /h ≤ f

IF ≤ 15 kmolI /h

FFR R= : relación de reciclo 0.1 ≤ R ≤ 2

Especifique las cinco variables dentro de los rangos admisibles, asumiendo que en el reactor se alcanzan condiciones muy próximas al equilibrio químico (justifique cada respuesta).

T, P

,f

AF fIF F

RFFFR R=

2. Escriba el balance de masa para cada uno de los siguientes reactores. Expréselos en términos de conversión y considere que en las corrientes frescas sólo está presente A. Indique que tipo de conversiones ha utilizado (parciales/totales). La reacción que se lleva a cabo es BA→

3. Nombre un reactor industrial de la región de Bahía Blanca, especifique que reacción se lleva a cabo en él y cuáles son las principales características técnicas del mismo.

01AF 0

2AF

1AF

1AFλ

03AF

2AF

REACTORES QUÍMICOS Primer Examen Parcial Parte II: Libro abierto

18 de abril de 2005

Apellido, Nombres:

LU: 1. La reacción elemental irreversible que se muestra a continuación ocurre en fase

acuosa

A + B → R+S

y es llevada a cabo en forma isotérmica de la siguiente manera: dos corrientes con igual caudal volumétrico son mezcladas antes de ingresar a un TAC de 4 litros. Una corriente contiene 0.16 mol/l de A, y la otra 1.4 mol B/ l. La salida del TAC es enviada a un RT de 16 litros. Se encontró que algo de R se forma en el TAC siendo su concentración de salida igual a 0.02 mol R/l. Encontrar la conversión global y CR a la salida del RT. 2. Considere la siguiente reacción:

BA ⇔2

La reacción se lleva a cabo a 760 ºC, una presión total de 5 atm y con una alimentación de A puro. La constante específica de velocidad a 760 ºC es de 1800 ft3/lbmol s y la constante de equilibrio a esa misma temperatura es de 0.8.

a) Determine la conversión de equilibrio b) Calcule el volumen de un reactor tubular necesario para lograr un 80% de la

conversión de equilibrio. (caudal de alimentación de A: 10 lbmol/min) c) Calcule el volumen de un TAC necesario para lograr un 80% de la conversión de

equilibrio. (caudal de alimentación de A: 10 lbmol/min)

REACTORES QUÍMICOS Segundo Examen Parcial

Parte I: Libro cerrado

24 de mayo de 2005

Apellido, Nombres:

LU:

4. Las figuras presentadas en la columna adjunta representan la concentración del sustrato limitante, producto y biomasa medidos en un reactor discontinuo en función del tiempo. Las líneas a trazos (experiencia 1) en todas las figuras representan a una reacción biológica que produce un metabolito primario, donde las células no experimentan (al menos en las 20 h de reacción monitoreadas) muerte y donde el sustrato sólo se utiliza para generar biomasa.

4.1. Escriba los balances de masa para el sustrato, producto y biomasa para la experiencia nombrada como 1.

4.2. Escriba los balances de masa para el sustrato, producto y biomasa correspondientes a las experiencias 2, 3 y 4. Indique claramente las hipótesis que asume y por qué selecciona el modelo cinético que propone para cada una de las experiencias.

4.3. Determine a partir de la gráfica el Yxp y el Yxs para la experiencia 1.

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20tiempo, h

X, S

, P, g

/L

P1

P2

x1

x2

s1

s2

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20tiempo, h

X, S

, P, g

/L

P1

P3

x1

x3

s1

s3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 5 10 15 20tiempo, h

X, S

, P, g

/L

P1

P4

x1=x4

s1=s4

5. Dibuje para cada uno de los esquemas cinéticos que se presentan a continuación las concentraciones de todas las especies en función del tiempo. Utilice los gráficos que se proveen.

5.1. A+B→C B+C→D

CA0=4 mol /dm3, CB0=6 mol /dm3, CC0=CD0=0

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

55.5

6

5.2.

A→B→C

B →D CA0=6 mol /dm3, CB0=CC0=CD0=0

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

55.5

6

REACTORES QUÍMICOS Primer Examen Parcial Parte II: Libro abierto

24 de mayo de 2005

Apellido, Nombres:

LU: 1. Las siguientes reacciones:

YAXAPA

Y

X

P

k

k

k

→

→

→

son llevadas a cabo en un reactor isotérmico continuo con un tiempo de residencia fijo de 15 minutos. Se dispone de los siguientes reactores:

Reactor Rango térmico de trabajo 1. TAC 300-520 K 2. TAC 520-700 K 3. RT 300-520 K 4. RT 520-700 K

1.1. Qué reactor elegiría y a qué temperatura lo operaría si el objetivo es maximizar la selectividad global hacia el producto deseado P?.

1.2. Cuál es el valor de SP máximo que es posible alcanzar en el reactor elegido en el punto 1.1?

1.3. Cuál es el valor del rendimiento hacia P cuando el reactor elegido opera en condiciones de máxima selectividad?.

Datos:

)18000exp(10 8.15)(

)7000exp(10 2.2)(

(K) T ,)12000exp(10 86.4)(

101

21

61

Tsegk

Tsegk

Tsegk

Y

X

P

−=

−=

−=

−

−

−

2. Los siguientes datos fueron obtenidos en un tanque continuo durante la

oxidación de pesticidas presentes en un efluente, mediante un cultivo de microorganimos:

D S (pesticidas mg/l) X(mg/l)

0.05 15 162 0.11 25 210 0.24 50 250 0.39 100 235 0.52 140 220 0.7 180 205

0.82 240 170 Asumiendo que la concentración de pesticida en el efluente es de So=500 mg/l, determine Yxs, β, µm y Ks. Considere que el sustrato se utiliza solo para producir biomasa.

REACTORES QUÍMICOS TercerExamen Parcial Parte I: Libro cerrado

21 de junio de 2005 Apellido, Nombres:

LU:

3. La reacción elemental irreversible A→B se lleva a cabo en un reactor tubular.

Dibuje los perfiles axiales de las variables que se le solicitan en los gráficos adjuntos.

3.1. Suponga que el reactor opera adiabáticamente.

Reacción exotérmica

Reacción endotérmica

z

Tem

pera

tura

z

Tem

pera

tura

Conversión

Tem

pera

tura

Conversión

Tem

pera

tura

z

-rA

z

-rA

3.2. Suponga que el reactor intercambia calor con un fluido que circula por la carcasa externa del reactor a temperatura constante.

Reacción exotérmica -Reactor Refrigerado

Reacción endotérmica -Reactor Calefaccionado

z

Tem

pera

tura

TA1 <T0

z

Tem

pera

tura

TA1 >T0

z

Tem

pera

tura

TA2 >T0

z

Tem

pera

tura

TA2 <T0

z

xA

z

xA

Explique brevemente (para los puntos 1.1 y 1.2) pero en forma clara y concisa en que se fundamenta para establecer la forma de los perfiles térmicos.

4. Considere la siguiente reacción heterogénea ocurre en fase gas:

CO+H2O↔CO2+H2

Considere la siguiente información experimental:

-r0

Presión Total

y0CO= y0

H2O=0.5

-r

pCO2

pCO= pH2O=pH2 = 1 atm

-r

pH2

pCO= pH2O=pCO2 = 2 atm

-r pCO= pH2O=pH2 = 1 atm

pH2O

-r0

Presión Total

y0CO= y0

H2O=0.5-r0

Presión Total

y0CO= y0

H2O=0.5

-r

pCO2

pCO= pH2O=pH2 = 1 atm-r

pCO2

pCO= pH2O=pH2 = 1 atm

-r

pH2

pCO= pH2O=pCO2 = 2 atm-r

pH2

pCO= pH2O=pCO2 = 2 atm

-r pCO= pH2O=pH2 = 1 atm

pH2O

-r pCO= pH2O=pH2 = 1 atm

pH2O

4.1. Sólo mediante la inspección de las gráficas establezca la expresión de la

velocidad de reacción. Escriba el mecanismo e indique la etapa controlante que permiten obtener la expresión de velocidad de reacción hallada.

REACTORES QUÍMICOS Tercer Examen Parcial Parte II: Libro cerrado

21 de Junio de 2005

Apellido, Nombres: LU: 1. La siguiente reacción ocurre en fase gas:

A+B →2C

Se lleva a cabo en un RT adiabático. Los reactivos A y B ingresan al reactor en forma equimolar a una temperatura de 27 ºC y con un caudal volumétrico de 2dm3/s. 1.1 Calcular el volumen del reactor que permite alcanzar una conversión del

85%. 1.2 Estime el valor máximo de la temperatura de entrada al reactor si se

desea alcanzar una conversión del 85% y la temperatura de los gases no puedan exceder los 550 K, temperatura a la que se inicia la descomposición térmica (craqueo) de los reactivos y productos.

Datos adicionales:

molKcalKH oA /20) 273( −=

molKcalKH oB /15) 273( −=

molKcalKH oc /5.20) 273( −=

310 mol/dm.CAO = molK calCCC PCPBPA /15===

smoldmTk / )/7.5032exp(10 x 93.1 35 −=

2. Considere las siguientes reacciones que ocurren en fase gas:

A B C Se llevan a cabo en un TAC que intercambia calor con un serpentín inmerso en el tanque 2.1 Calcule la temperatura de operación del TAC 2.2 Calcule el volumen del reactor 2.3 Calcule el área de transferencia de calor necesaria Datos adicionales Producto:

La relación CB/CC a la salida del reactor es igual a 10. La conversión de A es del 50 %

Alimentación Se alimenta A puro con un flujo molar de 0.05 lbmol/s El caudal volumétrico es de 7.85 ft3/s La temperatura es de 400 ºF La presión en el reactor es de 4 atm

Capacidades caloríficas: Flbmol BTUCCC PCPBPA º/25===

Reacción 1:

AlbmolBTUHlbmolBTU sk

/15000/31000E 10 x 2

1

119

1

=∆== −

∞

Reacción 2:

ClbmolBTUHlbmolBTU sk

/20000/40000E 10 x 1

2

2111

2

−=∆== −

∞

Transferencia de calor:

El medio calefactor es vapor saturado a alta presión (350 ºF) U = 400 BTU/ h ft2 ºF