guía de problemas (unidades 9 a 12)

FACULTAD DE INGENIERÍA – UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS I GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS 2006

SEGUNDA PARTE (unidades 9 a 12) 9. REACTORES REALES

Problema 9.1

a) Suponga que usted estima la conversión de un reactor industrial sobre la base de un

modelo de flujo ideal, pero encuentra que su estimación no coincide con la conversión real.¿A que puede atribuir esa discrepancia?.

b) ¿Que experiencia puede hacer, en laboratorio, para confirmar la idealidad de flujo en un reactor?.

c) Las siguientes figuras representan la respuesta idealizada ante una entrada en disparo de

un trazador:

1 2

tmediotmedio

C1)Determine las causas a que puede deberse la aparición de las siguientes curvas de respuesta, si ud. espera que el flujo se aproxime al flujo en pistón.

3 4

tmediotmedio

Página 1- Guías de TP Ingeniería de las Reacciones Químicas I (9 a 12) – 1º cuatrimestre 2007


5 6

tmedio

tmedio

+tmedio es el correspondiente al esperado.

7

tmedio

9

tmedio

8

tmedio

10

tmedio

C2)Idem TAC. d) ¿Qué entiende por micro y macrofluído?. ¿Qué efecto tienen estos conceptos en un TAD,

en un TAC y en un FPI ?



Problema 9.2

Para el reactor cuya curva E(t) es la indicada en la figura, calcular la fracción de elementos de volumen que permanecen dentro del reactor más de 9 minutos y menos de 18 minutos.

E (t)

0 5 10 15 20 25

t (min)

Problema 9.3

A un reactor continuo se le inyecta un pulso de trazador obteniéndose la siguiente

respuesta temporal a la salida:

( )

≤⟨≤⟨

≤≤⋅

t de valor otro cualquier para 0 17,5 t 7,5 para t-17,5 7,5 t 5 para 10

5t0 para t2

tC )(

a) Encontrar la expresión de la curva E (t), y graficarla. b) Encontrar la expresión de la curva F (t), y graficarla c) Calcular el t MEDIO de ese reactor. d) En ese reactor se llevará a cabo una reacción de 2° orden en forma isotérmica, siendo el

valor de (k.CA0) = 0.2 tiempo –1 . Se pide calcular:

1) La conversión en ese reactor. 2) La conversión alcanzada en un FPI y en un TAC.



Problema 9.4 Se está estudiando una polimerización que tendrá lugar en un reactor continuo, al cual se dosificarán 36 m3/h de una suspensión de gotas del monómero en un líquido inerte. De este modo, el sistema puede visualizarse como completamente segregado, siendo CM

0 la concentración del monómero en las gotas alimentadas. Un estudio sobre el comportamiento fluidodinámico del reactor reveló que ningún elemento de volumen permanece en el sistema más de 10 minutos; los valores experimentales obtenidos permiten ajustar con gran precisión la curva F(t) mediante un polinomio del tipo at2 + bt + c, con a < 0. Se sabe que la reacción de polimerización es irreversible, que sigue una cinética de segundo orden respecto a la concentración del monómero y que su Ea = 14000 cal/mol. Además, a la temperatura de trabajo (300 K), (k·CM

0) = 0.1 min-1. Calcular: (a) La conversión media (χMEDIA) y el volumen del reactor. (b) La mínima temperatura a la que debe operar el reactor para asegurar una χMEDIA ≥ 50%. (c) ¿A cuál de los dos modelos ideales de flujo se asemeja más este reactor?. A fin de

incrementar la conversión, ¿es conveniente intentar eliminar la segregación?

Problema 9.5

Se ha diseñado un recipiente especial, para emplearlo como reactor en reacciones de primer orden en fase líquida.

Como se sospecha que en este recipiente el flujo no sería ideal, se hicieron ensayos con

un trazador, para estimar la magnitud del desvío. Se obtuvieron las siguientes lecturas de concentración, que representan una respuesta continua a la salida del recipiente, para una función delta de entrada del trazador.

C 0 3 5 5 4 2 1 0

t [seg] 0 5 10 15 20 25 30 35 Concentración en unidades arbitrarias. Sabiendo que la conversión en un T.A.C., empleando el mismo tiempo espacial, fue de

82,19 %, determinar:

a) El valor de tmedio . b) El gráfico de E = f( t ) c) El valor de k. d) La conversión para un FPI. e) La conversión para el sistema real. Modelo de dispersión



f) i) Calcule el módulo de dispersión D/(u.L) a partir de la DTR dada.

[ ] [ ]2

22

2

22

22 )/exp(1)/(2)/(2

tC

Cty

t donde

DLuLuDLuD

i

ii −⋅

==

⋅−−⋅⋅⋅−⋅⋅=

∑∑σσσ

σ

θ

θ

ii) Determine la conversión predicha por este modelo, de acuerdo con:

[ ][ ]

( ) [ ] ( ) [ ][ ] 5.0

220

)2/(exp1)2/(exp1

/)2/(exp4

L)(u / Dk41a

DLuaaDLuaab : donde

bDLuaCC

A

A

⋅⋅⋅⋅+=

⋅⋅⋅−⋅−−⋅⋅⋅⋅+=

⋅⋅⋅⋅=

τ

Modelo de tanques en serie g) i) Determine el número de reactores TAC en serie que responden a la DTR

dada. N/12 =θσ

ii) Prediga la conversión que arrojará este modelo sabiendo que:

( ) N

A

AN NkCC −⋅+= /1

0

τ



10. REACTORES FLUIDO-FLUIDO

Problema 10.1

a) Mencione brevemente las hipótesis principales en que se basa la teoría de la doble película. b) Indique el régimen cinético (zona donde ocurre la reacción, velocidad de la misma, etc) que

caracteriza los siguientes perfiles c) Comentar las diferencias que encuentra entre los perfiles 1 y 5; 2 y 4; 3 y 6.

pA

GAS LIQUIDO

CA

CB

1

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDO

CA

CB

2

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDOCA

CB

3

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDO

CB

4

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDO

CA

CB

5

INTERFASE

pA

GAS LIQUIDO

CB

6

INTERFASE

CA



Problema 10.2

Una impureza A contenida en un gas ha de reducirse de una fracción del 1% (yAo=0.01) hasta 2 ppm (yAf=2E-6), por contacto en contracorriente con un líquido que contiene un reactante B. La concentración de éste en la corriente líquida es de 150mol/m3. Se sabe que: kAg.a=32000mol/(h.m3.atm.) kAl.a=kBl.a=0.2h-1 L=7E5mol/(h.m2) G=1E5mol/(h.m2) HA=2.5E-4atm..m3/mol CT=56000mol/m3 PT=1atm. La estequiometría es tal que:

A + 2B → P sabiendo además que la reacción es instantánea e irreversible. Se pide: a) Calcular la altura necesaria de la torre. b) ¿Qué recomendación se podría hacer respecto de la concentración del reactante en fase

líquida, que puedan conducir a hacer más económico el proceso?. c) ¿Qué concentración de entrada de B dará la altura mínima de la torre?. ¿Cuál es esa altura?.

¿Qué pasa si se utiliza concentraciones mayores?.

Problema 10.3

Ud. es Ingeniero de procesos y trabaja en una fábrica que produce propileno grado polímero (99% de pureza). La empresa vecina (Cardozo y Cia.) le ofrece una corriente de salida de su depropanadora a una fracción molar de propano de 0.45, a precio muy conveniente y con abastecimiento regular. Ud. dispone en fábrica de una torre de 10m de altura, actualmente en desuso, que podría eventualmente recibir la corriente de Cardozo y Cia. y dejarla en condiciones para ingresar a su proceso, que trabaja a una fracción molar de propano de 0.30. El propano puede absorberse tratándolo en contracorriente con el solvente B, según la reacción:

CH3CH2CH3 + ½B → Productos



Se pide: a) Podría inferir: ¿cuál es el mecanismo de absorción para cada intervalo de XB, de acuerdo a la

expresión dada a continuación?

0.25 xsi 1)1).(y(8.x

0.25 xsi 1)3.(y0 xsi 1y

BC3B

BC3

BC3

3

<++≥+=+

=aNC

donde NC3·a[=]mol/(h.m3); yC3 indica fracción molar de propano; xB indica fracción molar de B b) ¿Podría la torre propuesta recibir la corriente de propano y dejarla en condiciones de proceso?

c) ¿De qué altura diseñaría una torre que cumpliera con los requerimientos de proceso?. d) ¿Serviría, para la torre diseñada en (c), una corriente de solvente de 20mol/(h.m2) con una xB=0.4?. Justifique. Si no sirve, proponga una solución alternativa. Dato: G=5000 mol/(h.m2)

Problema 10.4

En una torre se está llevando a cabo la absorción con reacción química del reactivo A según la reacción:

A (g) + B (l) → Productos En las condiciones actuales de trabajo, la corriente gaseosa de 75 mol/(s·m2) entra a la torre con una fracción molar de A del 1% y sale de la misma con 120 ppm de A. Esto se logra mediante una corriente líquida de 120 mol/(s·m2) con una concentración 2.25M del reactivo B. En estas condiciones, el régimen imperante en toda la torre es de interfase. Se desea procesar más caudal gaseoso en la misma torre y con la misma corriente líquida (tanto L como CB

entrada). Además, se desea mantener la condición de que toda la torre siga trabajando en régimen de interfase. Se pide:

a) Calcular el máximo G que puede procesarse en la torre. b) Calcular la yA

salida en estas condiciones. OTROS DATOS: (kAg/kBL) = 180 mol/(L·atm) CT = 56 mol/L



Problema 10.5

Una base A que se encuentra en fase gaseosa se desea absober en agua. Para favorecer la absorción se agrega un ácido B al agua, de manera que la corriente de entrada tiene una CB

O = 2M. Se dispone de un caudal másico de 0.01 kg/s de esta solución, cuya densidad puede tomarse como la del agua. La corriente gaseosa de entrada tiene una fracción molar de A igual a 3.98E-02, y se desea que la fracción molar de salida no sea mayor a 1E-04. a)Determinar la altura de líquido dentro de un tanque de burbujeo (de 5 m2 de sección) para poder cumplir este servicio. b)Si se diseñara una columna rellena (en lugar del tanque de burbujeo), indicar las expresiones cinéticas que utilizaría y el rango de yA para el cual son válidas cada una de ellas. Datos: (GM

O / MO) = 0.5 mol/s P = 1 atm HA = 40000 atm.cm3 / mol kAg = 8E-06 mol / (atm.cm2.s) kAL = 6E-05 cm/s kBL = 4E-05 cm/s a = 1 cm2 / cm3 La reacción es:

A (g) + B (l) → PRODUCTOS



11. REACTORES SÓLIDO REACTIVO-FLUIDO

Problema 11.1 Indicar Verdadero o Falso ante cada una de las afirmaciones a) Modelo de la Conversión Progresiva

i) El gas reaccionante penetra y reacciona simultáneamente en todo el volumen de la partícula sólida. ii) La partícula cambia de tamaño con el tiempo. iii) Es más aplicable cuando la velocidad de reacción es alta comparada con la velocidad de difusión. iv) El reactante sólido se convierte progresivamente en toda la partícula

b) Modelo del Núcleo sin Reaccionar i) Durante el transcurso de la reacción habrá un núcleo sin reaccionar en el sólido cuyo tamaño es constante. ii) Hay una zona de reacción que se desplaza hacia el interior del sólido dejando atrás las cenizas. iii) Se aplica mejor a sólido reactivo poroso cuando la velocidad de reacción es baja comparada con la velocidad de difusión. iv) La reacción tiene lugar en todo el volumen de la pastilla

c) Cinética para Sólido Esférico de Tamaño Constante

i) La velocidad global de reacción debe considerar las siguientes tres etapas que se producen en paralelo: Difusión desde el seno del gas hasta la superficie de la partícula, Difusión a través de la capa de cenizas, Reacción química sobre la superficie del sólido. ii) Tomando en cuenta los tres procesos que se producen se puede obtener una expresión de la velocidad global que vincula el tiempo de reacción y la conversión del reactivo sólido. iii)La etapa controlante de la velocidad de reacción será aquella cuya velocidad sea mayor. iv)A medida que avanza la reacción, la resistencia a la transferencia de masa que opone la ceniza va disminuyendo.

d) Lecho fluidizado i) Los lechos fluidizados son prácticamente isotérmicos ii) El flujo de sólidos se aproxima al comportamiento de mezcla completa. iii) Para la fluidización del lecho se requiere una mínima velocidad del gas. iv) La fluidización se produce más fácilmente con líquidos que con gases.

e) Cinética para Sólido Esférico de Tamaño Constante. Etapa Controlante

i) Dado que la etapa química depende mas de la temperatura que las físicas, se pueden hacer experiencias a distintas temperaturas para determinar si ésta es la etapa controlante. ii) Cuando se forma ceniza adherente, la resistencia en la película gaseosa que rodea al sólido puede despreciarse. iii) La resistencia en la capa de cenizas depende de la velocidad del gas. iv) El tiempo de conversión completa es proporcional al cuadrado del radio de las partículas sólidas cuando la etapa de reacción química es la controlante.



Problema 11.2

Una reacción gas-sólido ha sido estudiada en pastillas de sólido de Ra = 0.5 cm. Experiencias a distintas temperaturas y a CAg constante permitieron obtener el siguiente gráfico:

τ (tiempo de conversión completa) vs (1/T) Ra = 0.5 cm ; CAg = cte

1/T (K-1)

T = 823 Kτ = 85 min

El proceso tendrá lugar en la práctica en una cinta transportadora a 823 K. Cuando las partículas de Ra = 0.5 cm fueron tratadas en dicha cinta se obtuvo una conversión del 73% (xB = 0.73). Sin embargo, en el proceso real no se alimentarán solamente partículas de Ra = 0.5 cm sino una mezcla de sólidos donde habrá 30% de partículas de Ra = 0.3 cm, 30% de partículas de Ra = 0.4 cm y el resto serán partículas de Ra = 0.5 cm. Se pide:

a) En el gráfico presentado, determinar qué resistencia es la dominante en cada rango de temperaturas. Justificar.

b) Calcular la conversión alcanzada en la cinta transportadora, para cada tamaño de partícula. Calcular también la conversión promedio del proceso.

c) ¿Qué tiempo de residencia será necesario para asegurar la conversión completa de todas las partículas?

Considerar: resistencia en película gaseosa despreciable en todas las experiencias; el sólido no cambia de tamaño durante la reacción; la De puede asumirse independiente de la temperatura.

Problema 11.3

Se han llevado a cabo ciertas experiencias en un sistema sólido reactivo-gas. Para ello se emplearon pastillas esféricas de distintos radios y se variaron las condiciones operativas, obteniéndose los



resultados que se muestran en el siguiente cuadro:

t[min.] T[K] vgas[m/s] conversión radio[cm]

6 573 2 0.20 2

10 673 4 0.81 2

10 673 2 0.80 2

5 673 2 0.80 1

Se desea saber: a)¿Qué características deben poseer el sólido y la reacción química para que sea válido plantear el modelo heterogéneo? b)A partir de esta información, determine que tipo de control ha prevalecido en las experiencias. Explique el razonamiento seguido para determinarlo. c)Utilizando los mismos datos, calcule la conversión que se obtendría si se alimenta una cinta transportadora de 10m de largo, con una carga del mismo material que contenga 30% de pastillas de 1cm y 70% de pastillas de 2cm de radio. La velocidad de la cinta es de 1m/min. y la temperatura de trabajo es de 623K. d)Estime el tamaño de partícula para el cual se alcanzaría la conversión completa a la salida del reactor.

Problema 11.4

Una alimentación tiene las siguientes características:

Fracción radio [µ] Tcc [min.]

30% 50 5

40% 100 10

30% 200 20 Tcc:tiempo de conversión completa. a)Calcule la conversión de los sólidos en el reactor para un caudal de alimentación de 1kg/min. de sólidos, si el lecho contiene 10kg de los mismos. Los sólidos son consistentes y no cambian de tamaño ni de peso durante la reacción. Se emplea un ciclón para separar los finos arrastrados por la corriente gaseosa, que son retornados al lecho. Pueden despreciarse las variaciones de composición de la fase gaseosa a través del lecho.



b)Repetir el cálculo si se suprime el ciclón. El coeficiente de velocidad de elutriación, en las condiciones de operación y para esta altura de lecho, se estima en:

K.r2=500µ2/min.

Problema 11.5

Una reacción gas-sólido se está estudiando en una cinta transportadora. Las pastillas esféricas del sólido reactivo, de tamaño uniforme, se alimentan en un extremo de la cinta y luego se retiran muestras de las pastillas en distintos puntos de la cinta. Dichas muestras son analizadas para determinar la relación entre el radio del núcleo sin reaccionar y el radio original de la pastilla (relación llamada “y”). La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos para diferentes

posiciones adimensionales (z*) sobre la cinta:

z* 0,1 0,3 0,7y 0,93 0,79 0,51

Sabiendo que las cenizas formadas durante la reacción son adherentes, se desea saber: (a) ¿Cuál es la resistencia que controla la velocidad global (si es que la hay)? (b) ¿Qué conversión se obtiene al final de la cinta? (c) Si se desea obtener conversión total de las pastillas al final de la cinta ¿en cuánto debe aumentarse la presión parcial del reactivo gaseoso? (Obviamente, mantener constante el resto de los parámetros).



12.CATALISIS HETEROGENEA

Problema 12.1 Se ha determinado que la verdadera densidad del material sólido de un catalizador de alúmina es de 3.675g/cm3. El área superficial, determinada por el método de absorción, es de 175m2/g. Por otra parte, la densidad de pastilla, determinada por el método del mercurio, es de 1.574g/cm3. Con esta información calcule: a)El volumen de poros por gramo. b)La porosidad de las pastillas. c)El radio medio de poros. d)¿Qué porción corresponde al espacio vacío intraparticular y cuál al interparticular, expresados como fracción del volumen total de lecho? La densidad global del lecho, determinada mediante una probeta, es de 0.81g/cm3.

Problema 12.2 Se está estudiando la reacción catalítica de primer orden

A → B Las experiencias se llevan a cabo en un reactor isotérmico de lecho fijo dentro del que se colocan pastillas de catalizador en forma de pastillas cilíndricas como las indicadas en la figura (D = 2cm ; L = 1.5 cm).

d D

LSe efectuaron dos experiencias:

• En la primera, se usaron pastillas sin orificio central, obteniéndose una conversión de salida del 50%. Se sabe, además, que en esta experiencia, el régimen cinético correspondió a control difusivo.

• En la segunda experiencias, se usaron pastillas con un orificio central axial, de diámetro d1 = 1cm. La conversión en este caso fue 55.6%.

Se planea realizar una tercera experiencia con pastillas cuyo orificio axial tenga un diám= 1.4 cm.

a) ¿Qué conversión se espera en esta tercera experiencia?

b) Interprete el resultado obtenido

NOTA: Todas las experiencias se llevan a cabo en las mismas condiciones de temperconcentración de reactivos.


etro d2

atura y


Problema 12.3

En base a las siguientes experiencias de laboratorio, realizadas a Tg=500:

Diametro [cm] robservada [mol/(L.min)]

polvo 0.0040

1 0.0038 y utilizando, para un reactor a escala industrial, las pastillas de 1cm de diámetro, evaluar: a)Si es correcto tomar la decisión de despreciar los efectos térmicos en película externa, en estas condiciones. b)Si se desea una velocidad rvp un 20% mas alta que en la segunda experiencia, considerando condiciones isotérmicas en la pastilla, a qué Tg se debería trabajar, manteniendo la misma CAg? c)Al cabo de un año, por problemas de desactivación irreversible, se debe renovar el catalizador. Se presentan entonces, tres alternativas de compra, a elegir, de un catalizador similar al usado, pero con las siguientes modificaciones: Tipo 1:Otra geometría, 0.5cm de diámetro, ε=0.75. Tipo 2:Igual al anterior, pero con menor kef. Tipo 3:Idem anterior, pero en este caso soporta una Tmax=550 K. Analice cualitativamente que efecto tendría sobre rVL cada una de las alternativas. ¿Cuál elegiría, con el objeto de minimizarla?. Reacción:

A → P orden 1 Datos:

h=5E-2cal/(cm2. K.seg.), constante en el rango de trabajo. Pastillas esféricas, con Tsinterización=520K. Def=0.13cm2/seg. ∆H=1000cal/mol Ea=5000cal/mol Considerar despreciable la caída de presión en la película.



Problema 12.4

Se realizaron distintas experiencias a temperatura constante con un catalizador comercial de

ρp=3g/cm3 y simetría esférica, cuyos resultados se muestran en la siguiente tabla:

Experiencia Diámetro [cm] rm [mol/gcat.min.)]

1 10 0.4E-5

2 4 1.0E-5

3 1 4.0E-5 Suponiendo que en la experiencia N° 3 el control era químico, se determinaron: n: orden de reacción =1.5 Ea: energía de activación = 4000 cal/mol

a) ¿Fue correcta la hipótesis asumida?. Justifique adecuadamente. b) Si se admite ahora que el control es difusivo: ¿Cuál es el orden de reacción y cuál la energía

de activación?. ¿Es ahora esta hipótesis correcta?. Justifique adecuadamente. c) Con el propósito de aumentar la velocidad por unidad de masa de catalizador, ¿qué

elegiría?. Justifique adecuadamente. -pastillas esféricas de 0.5cm de diámetro. -pastillas cilíndricas de D = H = 0.5cm.

Datos: h = Vp/Ap.((n+1)/2.kvp.Cs

n-1/Def)0.5 Despreciar la resistencia en película externa. η = tanh (φ/φ) Def = 0.1cm2/min CAg = 0.01mol/L

Problema 12.5 En un reactor tubular relleno con pastillas de catalizador esféricas de radio R1 (ρp = 1.5 g/cm3; ρS = 3.8 g/cm3 y Sg = 80 m2/g) se lleva a cabo la siguiente reacción de orden 1 con respecto a R:

R (g) → P (g) Ea = 5000 cal/mol

La operación del reactor es isotérmica a 120°C. El reactor permite obtener una conversión del 60% con un tiempo de residencia τ = 110 s. En estas condiciones, se sabe que: εL = 0.6 y kS = 4.26E-06 cm/min. Se sabe también que el catalizador sinteriza si la temperatura de operación supera los 250°C. Se desea incrementar la producción en un 50%, pero no se dispone de otra corriente de alimentación (ni en caudal ni en composición de la misma). Para ello, pueden variarse los siguientes parámetros: i) Densidad de pastila (ρp). Debe considerarse que Def es proporcional a ε2/3.



ii) Temperatura de operación (T). Considerar Def proporcional a T1.5. iii) Radio de la pastilla (R2). Se pide analizar por separado la variación de cada uno de estos parámetros. En todos los casos responder: a) ¿En qué sentido debe variarse el parámetro? (aumento o disminución) b) ¿Puede lograrse el aumento del 50% en la producción? c1) Si la respuesta b) es afirmativa, calcular el valor del parámetro (ρp , T, R2) que posibilita el aumento del 50% de producción. c2) Si la respuesta b) es negativa, calcular el valor del parámetro (ρp , T, R2) que maximiza el aumento de producción. Calcular también el aumento de producción obtenido

IMPORTANTE: En el caso del radio de la pastilla, se trata de calcular la relación R2/R1 (siendo R1 el radio de la pastilla original).

Parámetro a) Sentido de variación (aumento/

disminución)

b) ¿Se logra el aumento del

50%? (si/no)

c1) Valor para un 50% de

aumento en la producción

c2) Valor que maximiza el aumento de producción

c2) Máximo aumento de producción alcanzado

ρp (g/cm3) T (K)

(R2/R1)

d) En el caso de elegirse la temperatura como variable de operación a modificar, ¿cambian en algo las conclusiones obtenidas anteriormente si se desestimara la variación de la Def con T?. Justifique

Problema 12.6

La siguiente reacción irreversible

A B

describe un proceso llevado a cabo en un reactor catalítico de lecho fijo constituido por pellets de 1.6 cm de diámetro. La temperatura del proceso fue de 350 K. El catalizador sufrió diversos ensayos con el fin de caracterizarlo; estos arrojaron los siguientes parámetros: kvp = 3400 * e –2900/(R*T) [ L2 / mol2 min] εP = 0.6 ρp = 1.5 g /cm3 εL = 0.5 Đ = 0.1 cm2 / min Tsinterización = 450K Đ α ε4/5 Durante el proceso se operó con un caudal de 250 L/min y CA

0 = 2.5 mol/L.



(a) Evaluando las condiciones a las que opera el reactor, determinar su volumen para obtener una Casalida = 0.625 mol/L .

(b) Al cabo de un tiempo de operación las pastillas de catalizador fueron reemplazadas

por otras de igual geometría pero de 3.5 cm de diámetro.Analizar que sucedió con la producción . Justificar teórica y numéricamente.

(c) Con el fin de mantener la producción original se propuso modificar dos parámetros:

I.Densidad de la pastilla II.Temperatura.

Estimar ambos y determinar cual se escogió.

Problema 12.7 La reacción catalítica de primer orden A → B se está llevando a cabo en un reactor catalítico mezcla completa operado en forma isotérmica. Dicho reactor está cargado con pastillas de catalizador de geometría cilíndrica y D = H; a la temperatura de trabajo el módulo de Thiele de dichas pastillas es ϕ > 4 y la conversión de A que se obtiene a la salida es x = 0.50. Con el objetivo de aumentar la producción, manteniendo constante el caudal procesado, se parten las pastillas en cilindros de la mitad de altura. Puede considerarse que εL permanece constante. ¿Cuál es la variación porcentual de producción obtenida?

Problema 12.8

Se estudió la isomerización de un compuesto A, en fase líquida, según

A B→

Los siguientes datos fueron obtenidos a partir de experimentos cinéticos llevados a cabo en un reactor de mezcla completa.

Exp. dp [cm] M [g] cA [mol cm-3] robs

1 1 678 0,0012 2 1355 0,0013 2 769 0,001254 3 2033 0,001

El reactor fue alimentado con una caudal Fv = 100 cm3 s-1 cuya cA0 = 2 M y T = 600 K.

a) Considerando poros suficientemente pequeños como para asumir que la difusión

dentro del catalizador está controlada por los choques de A con las paredes del mismo, y con el modelo de poros en desorden (para εµ = 0), calcular km y n.

Con los datos cinéticos obtenidos, se desea diseñar un reactor FPI para obtener una producción de B de 5,8 kg/s con pastillas catalíticas esféricas de 2 cm de diámetro, para una CA

0 = 2 M.

b) Calcular el volumen del reactor, sabiendo que se dispone de un caudal de alimentación de 0,1 m3/s, a 600 K.




Sin embargo, por problemas de sinterización del catalizador, el reactor diseñado debe operar a 550 K. En esas condiciones se obtuvo una conversión final de 0,3.

c) Calcular la energía de activación. ¿Sigue siendo válido el método de cálculo del punto anterior? Justifique adecuadamente.

DATOS: a = 1,7·10-7 cm ; MA = 58 g mol-1 ; ρS = 5 g cm-3 ; ρP = 2 g cm-3 ; ρL = 1 g cm-3

Pastillas esféricas ; Difusividad Knudsen: K,AA

T = 9700 a M

D

DK,A [=] cm2.s-1 cuando a [=] cm ; T [=] K ; MA [=] g.mol-1

Modelo de poros en desorden (para εµ = 0): , donde 2ef,A P AD = ε Dm

mK,A ABA

1 1 = + D DD

1

∼∼ • ∼∼

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