vera raiza ejercicios trabajo examenf
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Ejercicios de Ingeniería de las ReacccionesTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERA QUMICA
INGENIERA DE LAS REACCIONES II
NOMBRE: VERA CANTOS RAIZA MISHELLE
FECHA: 2015-08-05
EXAMEN FINAL
Ejercicio P4.01.18
COMPOSICIN DE PARTIDA PTIMA PARA LA SNTESIS DE AMONACO
Para la sntesis de amonaco segn
0,52 + 1,52 3, 0,5 + 1,5
La constante de equilibrio es K = 0,0091 y K = 1,00. Las condiciones son 700 K y 300 atm.
Encontrar la relacin inicial, r = hidrgeno / nitrgeno, que da la mayor concentracin de
amonaco en el equilibrio.
En trminos del grado de avance, e, el balance de materiales es
0 = 2( 0) = (2
3) ( 0) =
0 = 0, 0 = 1, 0 = 0 =
=
= 0 1,5 = 1,5
= 0 0,5 = 1 0,5
= 0 = 1 +
3 =
1+ (1)
La constante de equilibrio es:
=
= 0,0091
=
1/2
3/2 =
(1+)
(10,5)1/2(1,5)1,5= 0,0091(300) (2)
-
Resolviendo las ecuaciones 1 y 2 para valores especficos de r. La tabulacin muestra que el
pico de la fraccin molar del amoniaco, se obtiene con r =3.
Ejercicio P4.02.07
OXIDACIN DEL SO2
Un reactor para la oxidacin de SO2 se opera adiabticamente con el intercambio de calor entre
corrientes de alimentacin y de producto en contracorriente. La temperatura de entrada es 725
K, el equilibrio se alcanza en la salida y la conversin de SO2 es 70%. La presin es atmosfrica.
Encuentra las temperaturas de la alimentacin y de salida.
Datos:
lnKy = 11,2755 + 11794/T
= 6,66 + 0,00105,
= 23250 1,45 + 0,00212 /( 2)
Como basse, tomar 10 moles de alimentacin
2 + 0,52 3
1 1 0,5 = 10 0,5
=(100,5)^0,5
(1)(10,5)^0,5
= 8,9905 = 0,7
= ln 8,9905 = 1102755 +11794
1
T1 = 875,5 K, temperatura de equilibrio a la salida (1)
El calor de reaccin a 725 K aumenta la temperatura de alimentacin (10 moles/h) de T0 a 725
K, y de los productos (9,65 moles/h) de 725 a 875,5.
725 = 23250 1,45(725)0,0021(725)2 = 23197,5
r
1 0,3954 0,2278
2 0,7618 0,3404
2,5 0,9206 0,3569
3 1,060 0,3605
3,5 1,186 0,3579
4 1,294 0,3492
5 1,464 0,3238
Mximo
-
= 10 (6,66 + 0,00102) 725
0+ 9,65 (6,66 + 0,00102)
8755
725
1233,5 = 6,66(725 0) + 0,00051(7252 0
2)
0 = 556,3 (2)
(1) Y (2) son las temperaturas requeridas
Ejercicio P04.03.12
REACCIONES ABC EN UN REACTOR BATCH
Para el conjunto de reacciones, 1
2 , los datos son: k1=0,35, k2=0,13 A0=4 y B0=C0=0.
Graficar las concentraciones vs el tiempo.
Las ecuaciones diferenciales son:
= 1 (1)
= 1 2 = 10(1) 2 (2)
= 0 + 0 + 0 = 4 (3)
Ejercicio P4.04.04
REACCIN DEL ESTIRENO Y BUTADIENO
-
El estireno (A) y el butadieno (B) se pueden hacer reaccionar en una serie de CSTRs de 26,5 m3
de capacidad cada uno. Las concentraciones iniciales son A0=0,795 y B0=3,55 kgmol/m3. La
velocidad de alimentacin es 20 m3/h. La ecuacin de velocidad es:
= 0,036, /3
Encontrar el nmero de reactores en serie que se necesitan para obtener 90% de conversin del
reactivo limitante.
La concentracin de efluente requerido es
= 0,1(0,795) = 0,0795
La ecuacin de velocidad de la reaccin es:
= 0,036(2,755 + )
El tiempo de residencia es
=26,5
20= 1,325
El balance de materiales en la primera etapa,
0,795 = 1 + 0,036(1,325)1(2,755 + 1)
= 1,13141 + 0,047712
1 = (1,314 + 1,2801 + 0,19080)/0,0954
Para las siguientes etapas:
=1,1314+1,2801+0,19081
0,0954
Determinaciones sucesivas muestran que se necesitan entre 17 y 18 tanques en serie.
n A N A n A
0 0,7950
1 0,6832 11 0,1733 21 0,0495
2 0,5893 12 0,1523 22 0,0438
3 0,5101 13 0,1340 23 0,0388
4 0,4427 14 0,1180 24 0,0344
5 0,3852 15 0,1040 25 0,0305
6 0,3359 16 0,0918
7 0,2934 17 0,0810
8 0,2567 18 0,0715
9 0,2249 19 0,0632
10 0,1973 20 0,0559
-
Ejercicio P4.04.22
TIEMPO DE RESIDENCIA EN UN REACTOR DE TRES ETAPAS
La reaccin, + , se lleva a cabo en una serie de 3 etapas de tanques de igual tamao. La velocidad especfica es k=25 cuft/lbmol-h. Las concentraciones de entrada son
Ca0=0,15, Cb0=0,2 lbmol/cuft. Es requerida una conversin del 90%, que se da cuando
Ca3=0,015. Encontrar el tiempo de residencia en cada tanque.
Los balances de materia para A en las tres etapas son:
0,15 = 1 + 251(1 + 0,05)
1 = 2 + 252(2 + 0,05)
2 = 3 + 253(3 + 0,05) = 0,015 + 25((0,015) 0,065)
Estas tres ecuaciones son resueltas simultneamente, obteniendo los siguientes resultados:
1 = 0,0596 , 2 = 0,0285, = 0,554
Ejercicio P4.04.40
COMPARACIN ENTRE UN REACTOR CSTR Y UN REACTOR BATCH
Un proceso tiene la siguiente ecuacin de velocidad
=
= 0,008[
2 1,5(2 )2]/3
Con Ca0=2 kgmol/m3
(a) En un CSTR, qu tiempo de residencia es necesario para obtener 90% de conversin
en el equlibrio?
(b) En un CSTR qu % de conversin, se obtendr cuando =400min?
(c) Para las condiciones de la parte a, qu cantidad de A es convertido por da en un CSTR
de 5 m3?
(d) Cul es el tiempo de reaccin para el 90% de conversin de equilibrio en un reactor
batch?
(e) Qu volumen del reactor batch es necesario para convertir 22,9 kgmol/da al 90$ de
conversin de equilibrio, con un tiempo de inactividad de 2 horas/lote?
Parte (a)
En equlibrio, = 1,5(2 ) = 1,1010
= 0,10 + 0,9 = 0,2 + 0,9(1,101) = 1,1909
=2Ca
ra=
2Ca0,008(0,5Ca
2+6Ca6)= 231,8min
-
Parte (b)
2 = + 0,008(400)(0,52 + 6 6)
= 1,1552
= 2 1,5552 = 0,8448
=0,8448
0,8990= 0,9397
Parte (c)
=
=5
231,8=
0,02163
,
1,29413
=24
(2)=
24
1,2941(21,1909)= 22,92 /
Parte (d)
=
0,008(0,52+66)
= 60,97 1,1909
2
Parte (e)
Con un tiempo de inactividad de dos dos horas/lote, casi 8 lotes/da pueden ser tratados.
=22,92
8= 2,865 /
=2,8650
=
2,865(2)
0,8091= 7,082 , 3,541 3
Ejercicio P4.04.58
REACCIONES CONSECUTIVAS REVERSIBLES
Para reacciones reversibles consecutivas, , tienen lugar en un CSTR. La concentracin de B, cuando la alimentacin contiene solo A a la concentracin de A0 es:
0=
1
1+1(1+
2
)
(1
1+1
1
+1)(1+
2
)+2
Donde =12
=34
Las velocidades de reaccin son:
= 1 +
= 3 4
En el CSTR
0 = + (1 2) = (1 + 1) 2
=0+2
1+1 (1)
0 = + [1 + (2 + 3) 4]
-
=1+4
1+2+3 (2)
=3
1+4 (3)
Reordenando las ecuaciones 1 y 3, se obtiene el resultado indicado.
Ejercicio P4.05.14
TAMAO Y VELOCIDAD ESPECIAL DE UN PFR
La reaccin , est dada a 1000R y 3 atm en un reactor de flujo tubular. La velocidad de alimentacin es 50 lbmol/h que contiene 30 mol % A y el resto de inertes. La ecuacin de
velocidad es = 48,6
. Para un 95% de conversin, qu volumen del reactor y qu
VHSV son necesarios?
=
=
50(8,729)(1000)
(60)(3)= 202,5 /
= /
=48,6202,5
= 0,24
0 =30
60= 0,5 /
=
0,24= 4,167 ln(20) = 12,48
0,5
0,025
=
=
50(359)
12,48= 1438 /
Ejercicio P4.05.32
VELOCIDAD ESPACIAL DE UN PFR ADIABTICO
Una reaccin gaseosa, 2, se produce en condiciones de flujo adiabticas a 2 atm, empezando con A puro a 600R. Las capacidades calorficas son 20 y 15 Btu/lbmol-F, el calor
de reaccin es Hr=-2000 Btu/lbmol y
= exp (5,02 3000
) ,
1
(1)
Encontrar el tiempo de contacto real para una conversin del 80%.
0 = 0 = 1
= 0(1 + )
= 1 /0
Cambio de calor sensible=calor de reaccin
[20(1 ) + 15(2)]( 600) = 2000
= 600 +200
2+ (2)
-
=
= (
0,73
2) (1 + ) = 0,365(1 + ) (3)
Ecuacin de flujo del reactor,
0 = = (
)
0
= 0,365(1+)
(1) (4)
0,8
0
Resolviendo las ecuaciones 1, 2 y 4 simultneamente, se obtiene la solucin T=657,1 R
Ejercicio P4.06.06
RECICLO EN PFR COMO R
Demostrar que el rendimiento de un PFR con reciclo reduce a la de un CSTR cuando la densidad
es constante.
A la entrada del reactor:
1 =0+2
+1
( + 1) =
(+1)
=
+1=
(1)
1
2
Para primer orden, q=1,
+1=
0+2(+1)2
1
+1(
0
2+ ) = exp (
+1)
02
= + ( + 1) [1 +
+1+
1
2(
+1)
2+ ]
1 + , (2)
El cual es el resultado conocido para un CSTR, para una reaccin de primer orden.
Para segundo orden, la ecuacin 1, ser:
+1=
1
2
1
1=
1
2
+1
0+2
Multiplicando por Ca22 y reordenando:
22 = ( + 1) [2
+1
0+2]
=R+1
Ca0+RCa2[Ca0Ca2 + RCa2
2 (R + 1)Ca22 ]
Ca0 Ca2 , para R (3)
La cual es la ecuacin correcta para una reaccin de segundo orden en un CSTR.
-
Ejercicio P4.07.09
HIDRLISIS DEL ANHDRIDO ACTICO. REACTORES ADIABTICOS Y
ENFRIADORES.
Un reactor batch tiene 500 lb de carga de una solucin de anhdrido actico a una concentracin
de 0,0135 lbmol/cuft. La densidad de la solucin es 65, 5 lb/cuft y su calor especfico es 0,9
Btu/lb. El calor de la reaccin es -90,000 Btu/lbmol y la velocidad especfica es:
= exp (17,852 10576
) (1)
La conversin debe ser del 70%. (a) Encontrar el tiempo bajo condiciones adiabticas. (b)
Cuando el aumento de temperatura est limitado a 10F, encontrar el tiempo y el valor de la
cantidad de transferencia de calor, UA, con refrigerante a 500R.
Parte (a)
= (1 )
0 =500(0,0135)
65,5= 0,1031
Balance de energa
90000(0,1031) = 5000(0,9)( 520)
= 520 + 20,61
=
(1)
0,7
0 (3)
= 10,49
Las ecuaciones 1, 2 y 3 fueron resueltas simultneamente. Comparando, la temperatura
constante de 520 R.
=1
0,0835
1
10,7= 14,42
Parte (b)
La transferencia de calor es
= ( 500) (4)
Esta ecuacin combinada con la ecuacin de velocidad
-
= ( 500)
(1) (5)
El balance de energa es
500(0,9) = ( 500)
(1)
= 0,1031(90000)
=
450
9275(500)
(1)
(6)
Sustituyendo de la ecuacin 1 para k en trminos de T e integrar la ecuacin 6 con polymath
con varios valores asumidos de UA. Algunos de los resultados son:
UA 6,5 6,74 7,0
X 0,6826 0,7000 0,7321
El valor interpolado de UA=6,74 cuando x=0,7.
Para encontrar el tiempo, reordenando el balance de energa
450 + 6,74( 500) = 9275(1 )
= 450
9275(1)6,74(500)
530
520 (7)
= 11,5
Las ecuaciones 1 y 2 se utilizan para relacionar k y x a T antes de integrar por la regla
trapezoidal. La tabla muestra los clculos intermedios.
T x k Integrando
520 0 0,0835 0,7015
525 0,3079 0,1289 0,9308
530 0,7000 0,2080 3,2249
-
Ejercicio P4.07.27
DESCOMPOSICIN DEL ACETALDEHIDO
La velocidad de reaccin para la descomposicin del acetaldehdo,
CH3CHO CH4 + CO, A B + C
es de segundo orden con
= exp (23,6925080
)
(1)
El calor de reaccin a 780 K es Hr=-4,55 kcal/gmol. 1 kmol de acetaldehdo puro a 780 K entra
a un reactor, el cual es operado a 1 atm. Encontrar el volumen del reactor para 50% de
conversin bajo condiciones adiabticas. Las capacidades calorficas son:
= + 102 + 1052 + 1093,
a b c d
CH3CHO 4,19 3,164 -0,515 -3,8
CH4 4,75 1,2 0.303 -2,63
CO 6,726 0,04 0,1283 -0,5307
7,286 -1,924 0,9463 0,6393
Flujo del reactor:
0 =1
,
1
3600/
= 20
=
= 0,082(20 )
=
=
(
20
) =
(
1
1+)
0
=
= 0,082
(
1+
1)
2 (2)
0,5
0
0,5
0
Balance de energa
4550(0 ) = 45500(1 ) =
780
= [4,19( 0) + 0,01582(2 0
2) 0,1717(105)(3 03)
0,95(109)(4 04)] + (0 )[(4,75 + 6,726)( 0)
+(0,6 + 0,02)(102)(2 02) + (0,101 + 0,0428)(105)(3 0
3)
-
(0,6575 + 0,1327)(109)(4 04)] (3)
Los valores correspondientes de T y la conversin fraccional x son encontrados de la ecuacin
3.Integrando la ecuacin 2 y a continuacin, evaluado con la ayuda de la ecuacin 1, la
integracin se completa con la regla trapezoidal.
0
= 0,08(0,05)(19,327)(106) = 79241 3/(
)
=79241
3600= 223
X T 10^4 k Integrando(10^-6)
0 780 2,1174 3,684
0,05 789,5 3,117 3,0993
0,10 799,1 4,565 2,6188
0,15 808,5 6,577 2,248
0,20 817,9 9,394 1,951
0,25 827,6 13,456 1,708
0,30 837,2 19,047 1,517
0,35 846,8 26,75 1,367
0,40 856,4 37,155 1,252
0,45 866,0 51,282 1,168
0,50 875,6 70,86 1,112