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