Problemas de Diseño de Reactores y Reacciones heterogéneas

1. Una alimentación acuosa que contiene A (1 mol/L) es procesada en un reactor de flujo en pistón de 2 L (2 A → R, -rA = 0,05 CA

2 mol/L s). Hallar la concentración de salida de A para una velocidad de alimentación de 0,5 L/min.

2. Se está utilizando un reactor de mezcla completa para determinar la cinética de la reacción cuya estequiometría es A → R. Para esto diferentes flujos de una solución acuosa que contiene 100 mmol/L de A son alimentados a un reactor de 1 L y para cada corrida la concentración de A de salida es registrada. Halle la ecuación de velocidad que representa los siguientes datos. Suponga que sólo el reactivo A afecta la velocidad de reacción. Rpta.: -rA = 0.00417CA

V (L/min) 1 6 24CA (mmol/L) 4 20 50

3. Un reactor de flujo en pistón (2 m3) procesa una alimentación acuosa (100 L/min) conteniendo un reactivo A (CA0 = 100 mmol/L). Esta reacción es reversible y está representada por:

A R -rA = 0.004 min-1CA – 0.01 min-1CR

Hallar la constante de equilibrio y la conversión del reactor.

4. Un gas A de alto peso molecular es alimentado continuamente a un reactor de mezcla completa que se calienta a altas temperaturas para provocar craqueo térmico a materiales de más bajo peso molecular, colectivamente llamado R, mediante una estequiometría aproximada de A → 5 R. Cambiando la velocidad de alimentación se obtuvieron diferentes extensiones de craqueo como se muestra

FA0(mmol/h) 300 1000 3000 5000CA(mmol/L) 16 30 50 60

El volumen interno vacío del reactor es 0,1 L y a la temperatura de alimentación, la concentración de A es CA0 = 100 mmol/L. Hallar la ecuación que representa la reacción. Rpta.: -rA = 0.01CA

5. Se está planeando reemplazar un reactor de mezcla completa por uno que tiene el doble del volumen. Para la misma velocidad de alimentación y la misma alimentación acuosa (10 mol de A/L), halle la nueva conversión. La cinética de la reacción está representada por A → R -rA = kCA1,5 y la conversión actual es del 70%.

6. Una alimentación acuosa de A y B (400 L/min, 100 mmol/L de A, 200 mmol/L de B) va a ser convertida en producto en un reactor de flujo en pistón. La cinética de la reacción está representada por: A + B → R -rA = 200 CACB mol/L min Halle el volumen del reactor requerido para alcanzar el 99,9% de conversión de A en el producto.

7. Una enzima específica actúa como catalizador en la fermentación de A. Halle el volumen del reactor de flujo en pistón requerido para el 95 % de conversión del reactivo A (CA0 = 2 mol/L) a una concentración dada de la enzima. La cinética de la fermentación a esta concentración de enzima viene dada por: enzima A → R -rA = 0,1 CA/ (1 + 0,5 CA)

8. En un reactor de flujo en pistón una alimentación gaseosa de A puro (2 mol/L, 100 mol/min) se descompone para dar una variedad de productos. La cinética de la reacción está representada por A → 2,5 productos -rA = 10 min-1 CA

Halle la conversión esperada en un reactor de 22 L

9. La reacción a 25 ºC entre (A) y (B) sigue una ecuación cinética del tipo:-rA = 9.92x10-3 CACB (k está en m3/kmol.s)

Si se emplea un reactor discontínuo y se pueden ignorar los posibles cambios de volumen, determinar el tiempo necesario para alcanzar el 95% de conversión del reactivo limitante usando como concentraciones iniciales 0,1 kmol/m3 de (A) y 0,08 kmol/m3 de (B)

10. En un reactor discontínuo se efectúa la reacción reversible de primer orden en fase líquida: A R con CAo = 0.5 mol/L y CRo = 0Calcúlese la ecuación cinética de esta reacción, si en 8 minutos se alcanza una conversión del 33,3% y la conversión de equilibrio es del 66,7%.

11. La descomposición en fase gaseosa: 2 A → R + 2Ses aproximadamente de segundo orden con respecto a A. Cuando se introduce el componente A puro a 1 atm en un reactor discontínuo de volumen constante, la presión se eleva un 40% del valor inicial en 3 minutos.Para un reactor discontínuo de presión constante, calcúlese:a) El tiempo necesario para lograr la misma conversión.b) El aumento de la fracción de volumen en ese tiempo.

12. En una reacción A → B en fase gaseosa a temperatura y presión constantes en un Reactor discontínuo, desaparece el 20% de reactivo A en 20 min cuando se parte tanto de CAo = 0.04 mol/L como de CAo = 0.08 mol/L. Calcular la ecuación cinética.

13. La reacción en fase gaseosa A+B->R+S se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón, isotermo de 1 m3 de capacidad, al que se introduce una alimentación de 10L/s equimolecular en A y B, obteniéndose una conversión de 80%. ¿En cuánto debe aumentarse el volumen del reactor para que, en idénticas condiciones, se alcance una conversión del 90%.

14. Sea la reacción en fase gaseosa A+B->R+S, cuya ecuación cinética es de primer orden en A, y su constante cinética vale 10 min-1 a cierta temperatura. En un reactor mezcla completa, de 25 l de capacidad, se procesa una alimentación de 1 mol s -1 de A y 1 mol s-1 de B. La concentración de A a la entrada del reactor es de 0,5 mol L -1. Indíquese si al sustituir este reactor por otro de flujo pistón, de volumen 15 L de capacidad, la conversión no sufre una disminución.

15. Se desea llevar a cabo la reacción en fase gaseosa A+B->R y a presión constante. La alimentación consta de A y B puros, alimentándose doble número de B respecto de A. La alimentación de A es de 10 mol/s y la concentración a la entrada del reactor es de CAo=1 mol/L y de CBo=2 mol/L. La ecuación cinética responde a la expresión:

(-rA)=k CA CB

siendo k  a la temperatura de proceso (constante) igual a 1 L/mol/s. Indíquese los volúmenes del reactor flujo pistón y de reactor mezcla completa necesarios para alcanzar una conversión del 90%.

16. Con el fin de diseñar un reactor para la producción de R por condensación de A según la reacción:

2A --> R + S

Se estudia la cinética con un pequeño reactor de 5 L de volumen a 45ºC, introduciendo una corriente acuosa de A de concentración 7.5 mol/L obteniéndose los siguientes resultados:

t (s) 0.041 0.115 0.351 1.061 2.105

xA 0.150 0.330 0.600 0.820 0.900

Industrialmente se desea tratar una corriente acuosa de A, CA0= 2 molg/l, a 45 ºC a razón de 600 L/min y conseguir una conversión del 65%. Calcular el volumen necesario si se utiliza un reactor tanque agitado continuo.

17. La reacción A R se lleva a cabo en un reactor tanque agitado contínuo (TAC) obteniéndose un 50% de conversión.Se reemplazará el reactor actual por uno nuevo de volumen cuatro veces mayor y se mantendrán la composición de la alimentación y su caudal. Determinar la conversión en el reactor nuevo para los siguientes ejemplos de expresiones cinéticas.( a ) –rA = k CA

( b ) –rA = k CA2

( c ) –rA = k

18. Una alimentación del reactivo A, con CA0 = 1 mol/l y q0 = 103 l/h, reacciona en un reactor tubular según

A R-rA = 2 (CA)2 mol/( l h ).

Calcular el volumen del reactor si la conversión es del 95%.

19. Se utiliza un reactor TAC de 1 L para evaluar una expresión cinética para la reacción A R.Con dicho propósito, se midió la concentración de A a la salida del reactor para varios caudales de alimentación de una solución acuosa que contiene una concentración de A igual a 100 mmol/L.

Suponga que la velocidad de reacción puede representarse por r = k (CA)n y estime los parámetros k y n.

q0 [ L/minuto ] 1 6 24CA [ mmol/L ] 4 20 50

20. La reacción elemental: A → 2R + S transcurre isotérmicamente en un reactor experimental a presión constante. Partiendo de una mezcla de 50 % de A y 50 % de inerte, se duplica el volumen en 8 minutos. Determinar la conversión alcanzada en ese tiempo si la constante cinética es de 0.01min-1.

21. Calcúlese el coeficiente cinético para la desaparición de A en la reacción de primer orden en fase gaseosa que ocurre en un reactor de mezcla completa: A → 1.6Rsi el volumen de la mezcla reaccionante aumenta un 50% en 4 minutos cuando se parte de A puro. La presión total dentro del sistema permanece constante a 1,2 atm. y la temperatura es de 25 ºC.

22. Partículas sólidas esféricas que contienen B son tostadas isotérmicamente en un horno de gas de composición constante. El sólido se convierte en productos de acuerdo con el modelo de núcleo decreciente (MND), como se indica a continuación: A(g) + B(s) -> R(g) + S(s)Indíquese el mecanismo controlante de la velocidad de transformación del sólido a partir de los siguientes datos de conversión (procedentes de análisis químicos) y de tamaño del núcleo (medidas):

23. En un horno a 500 ºC con atmósfera de hidrógeno uniforme, se introducen separadamente tres muestras de pirita de diferentes tamaños y se mantienen durante una hora. Así las partículas de 8 mm de diámetro llegan a una conversión del 58% y las partículas de 4 mm se convierten hasta el 87,5%.Si la reacción es FeS2(s) + H2(g) → FeS(s) + H2S(g), con un orden parcial de reacción con respecto al H2 de la unidad, y se puede aplicar el modelo de núcleo sin reaccionar, determinar:a) ¿Cuál es la etapa controlante del proceso?

b) El tiempo necesario para la conversión completa de la tercera muestra constituida por partículas de 2 mm de diámetro

Rpta.: a) Reacción química b) 1 h

24. La reacción H2(g) + 1/4Fe3O4(s) → 3/4Fe(s) + H2O(g) se lleva a cabo a 1 atm y 600 ºC y se puede considerar que se ajusta a un modelo de núcleo sin reaccionar. Si el proceso se realiza en atmósfera de hidrógeno puro y las partículas de óxido de hierro son esféricas (10 mm de diámetro) y 4,64 g cm-3 de densidad, calcular:

a) ¿Cuánto tiempo se necesita para la conversión completa de una partícula de óxido de hierro, asumiendo que la etapa controlante es la difusión en la capa de cenizas?b) ¿Cuánto tiempo se necesita y qué conversión de sólido habrá cuando el diámetro de núcleo sin reaccionar se reduzca un 50% del inicial?Datos: Coeficiente de difusión de H2 en Fe=0,03 cm2 s-1

Constante cinética=40 cm s-1

Peso molecular Fe3O4=232 g mol-1

Rpta.: a) 7954 s b) 3977 s

25. En un horno con una atmósfera constante se introducen dos pequeñas muestras deun sólido y se mantienen en el durante una hora. En estas condiciones las partículas de 4 mm alcanzan una conversi6n del 58 %, y las de 2 mm se convierten hasta el 87,5 %.a) Indíquese el mecanismo controlante de la velocidad de conversión de los sólidos.b) Calcúlese el tiempo necesario para la conversión completa de partículas de 1 mm, en este horno.

26. Una carga de sólidos se trata con un gas de composición uniforme. El sólido se convierte dando un producto no adherente, de acuerdo con el modelo de núcleo sin reaccionar. En una hora la conversión es aproximadamente de 7/8, y en dos horas la conversión es completa. Indíquese la etapa controlante asumiendo geometría esférica.