SEGUNDO EXMAEN PARCIAL DESEGUNDO EXAMEN PARCIAL DE DISEO DE REACTORES

1.1 Determinar el volumen de un reactor tubular necesario para producir 300 millones de libras de etileno/ao, a partir del crakeo de una corriente pura de etano. La reaccin es de primer orden, irreversibles y elemental. Si se desea lograr un conversin del 80% del etano, el reactor opera isotrmicamente a 1100 K, e isobricamente a 6 atm. La constante de velocidad de reaccin es de 0.72 l/s (3 Ptos)

C2H6 C2H4 + H2

Solucin:Tenemos la ecuacin de Arrhenius

Para una temperatura 1000 K

Para otra temperatura de 1100 K

Para producir 300 millones de libras de etileno/ao

El grado de conversin es 80 % de etileno

El Volumen, para gases

Relacionando en volumen con el flujo

Para determinar la concentracin inicial utilizamos la ecuacin de los gases ideales

Reemplazando los datos

Hallamos la integral para determinar el Volumen

La integral segunda integral se puede desarrollar por partes o por tablas

Remplazando los datos

Se puede graficar con diferentes grados de conversin y reemplazando en la ecuacin del volumen. V, m3XA

00

0.097020840.05

0.199288530.1

0.307403190.15

0.422074160.2

0.544148230.25

0.674647670.3

0.814822280.35

0.966222390.4

1.130803680.45

1.311082090.5

1.510370620.55

1.733156250.6

1.985729760.65

2.277304480.7

2.622164180.75

3.044238340.8

3.588386570.85

4.355320420.9

5.666402510.95

1.2 La reaccin de descomposicin den fase gaseosa A R + S, se lleva a cabo en un reactor discontinuo de 0.5 m3 de volumen. El calor de reaccin es (HR = 1500 Kcal/mol, y la constante cintica depende de la temperatura segn la expresin K = 1014 exp(-10000/T). Si CA0 = 3 mol/l. Calcular: (4 Ptos)

a) La curva de conversin tiempo en condiciones isotrmicas para T = 300, 317 y 333 Kb) La expresin de la curva de conversin tiempo en condiciones adiabaticas par T = 317 K.

CA0 = 3 kmol/m3CPA = 30 Kcal/KmolCPR = 25 Kcal/KmolCPS = 20 Kcal/KmolK300 = 0.3338 h-1K317 = 0.9946 h-1K317 = 9.0808 h-1

Temperatura inicial,To=310 K Presin constante, Po= 5 atm Volumen inicial, Vo=0.5 m3 Entalpa de reaccin, H= -1500 kcal/kmol Capacidades calorficas, CpA=25;CpR=25;CpS=20; kcal/kmol K Constante cintica, k=1014exp(-1000/T) h-1, T en K

SOLUCINDatos:Xa : = 0.6To : = 310 K R : = 0.082 atm l/K mol Po : = 5 atmVo : = 0.5 103 litrosH : = -1500 db Kcal/KmolKcal/Kmol KKcal/Kmol KCao : = 0.197 mol/lCps : = 20 Kcal/Kmol KNao : 0 Cao VoBalance de calorNao = 98.348 mol T=339.403 K

Balance de calor integradoT=339.403 K (temperatura de salida)h-1

hALGUNOS PERFILES DE VARIABLES EN EL REACTOR Xa : = 0,0.1..0.9

1.3 La manu factura del acetato de butilo se realiza en un reactor batch que opera a 100 C. Si la alimentacin est en la relacin 5 moles de butanol por cada mol de cido actico, determinar el tiempo requerido para lograr el 50 % de la conversin del cido. Determinar, el tamao del reactor, la masa y el volumen original de los reactantes que debe ser cargados al reactor con el propsito de producir el ester a razn de 400 lb/h.

CH3COOH + C4H9OHCH3COOC4H9 + H2O

-rA = KCA2; donde CA es la concentracin del cido actico en (mol/ml) y K = 17.4 ml/mol*min (4 Ptos)

Densidad (g/ml)

Acido Actico=0.958Butanol=0.742Acetato de Butilo=0.7961.3 solucion.Relaizando un balance para el componente A.Entrada- salida+ (-rA)=dcA/dtLa velocidad de reaccin es.

Expresando el balance del componente A en funcin de la conversin se tiene.

Calculo de la concentracin inicial de A. inicialmente entra A segn la relacin.

La densidad de la mezcla es:

Dividiendo la anterior expresin por los g. de solucin se tiene:

1.4 La manu factura del acetato de butilo se realiza en un reactor batch que opera a 100 C. Si la alimentacin est en la relacin 5 moles de butanol por cada mol de cido actico, determinar el tiempo requerido para lograr el 50 % de la conversin del cido. Determinar, el tamao del reactor, la masa y el volumen original de los reactantes que debe ser cargados al reactor con el propsito de producir el ester a razn de 400 lb/h.

CH3COOH + C4H9OHCH3COOC4H9 + H2O

-rA = KCA2; donde CA es la concentracin del cido actico en (mol/ml) y K = 17.4 ml/mol*min (4 Ptos)

Densidad (g/ml)

Acido Actico=0.958Butanol=0.742Acetato de Butilo=0.796

Solucin:Informacin adicional

Ecuacin diferencial

Ecuaciones explcitas

La ecuacin de balance de energa para PFRAl reemplazar los datos tenemos

Reemplazando la ecuacin Resolviendo el sistema de ecuaciones

las grficas salen

El volumen del reactor es de 2.5 m3 para una conversin de 70% de isomerizacin, el perfil de temperaturas es:

1.5 Para la produccin de cido propinico se disuelve la sal de sodio en HCl segn:

C2H5COONa + HCl C2H5COOH + NaCl

La reaccin es reversible y de segundo orden global en ambos sentidos (de orden 1 para cada reactivo, tanto en la reaccin directa como en la inversa). En el laboratorio se ensaya con un reactor discontinuo de tanque agitado a 50C, valor que se mantiene constante. Se recogen muestras de 100 mL a diferentes tiempos. Para saber la concentracin de HCl en cada muestra se procede a neutralizar el HCl con NaOH 0.979 N. Las concentraciones iniciales de cido y sal son iguales entre s. Inicialmente no haba nada de cido propinico ni de NaCl. (5 Ptos)

Datos del ensayo en el laboratorio (neutralizando 100 mL de muestra):

t (min)0816233039

VNaOH (ml)52.532.123.518.916.714.410.5

a) A partir de la tabla de resultados experimentales, determinar el valor de la conversin en el equilibrio y de las constantes cinticas de las reacciones directa e inversa.

b) Cunto tiempo tardar en alcanzarse una conversin del 75% en las condiciones de concentracin inicial y temperatura anteriores?

c) Esta reaccin tambin se va a llevar a cabo a escala industrial en un reactor discontinuo de tanque agitado, partiendo de los moles de reactivos que produciran 453 kg de cido propinico con una conversin del 75%, con las concentraciones iniciales y la temperatura de los anteriores apartados. Sabiendo que en el proceso industrial existe un tiempo adicional de carga/calentamiento de 20 min y otro de descarga/enfriamiento de 10 min, en qu momento se alcanzar la mxima produccin (moles/min) de cido propinico? Suponiendo que el proceso se para en ese momento, cul ser el tiempo total de produccin en ese caso?