diseño de reactores

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PROGRAMAS PETROQUÍMICO-PLÁSTICOS. Facultad de Ingeniería.

Fundación Universitaria Tecnológico Comfenalco.

Diseño de Reactores. CURS 2015-II.

Ejercicio 1(A)

TjoD S.A. tiene un amplio abanico de procesos, entre ellos la descomposición irreversible del peròxido de di-terc-butilo que se lleva a termino en un reactor de flujo ideal isotèrmico (PFR) en el que no hay decenso de la presión. La reacción corresponde al tipo: A → B + 2C. La alimentación està formada por peròxido de di-terc-butilo y nitrógeno como gas inerte. El volumen del reactor es de 200 dm3 (lt) y la velocidad de flujo volumètrico que entra se mantiene constante a 10 dm3/min.

La constante de velocidad “k” para esta reacción de primer orden es de 0.08 min-1, basado en el reactivo A. El jefe de planta sabe de tu expertisia en la resolución de problemas numéricos, per eso recurre a ti para:

a) que determines y representes gràficamente la conversión en funció del volum del reactor para una corriente de alimentació de A puro a una concentració de 1,0 mol/dm3 (CA0). De forma similar, debes representar gràficamente la conversión cuando la alimentación està formada per un 5% ( 0,05 ) de A y la resto de un componente inerte.

b) En base a los resultados del punto a) comenta el efecto del nivel de concentración y la estequiometria de la reacción en este proceso de primer orden.

Di-terc-butilo peróxido

𝐶!! =𝐹!!𝑄

!"!!!

( Sugerencia : Utilice sustitución simple)

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Fundación Universitaria Tecnológico Comfenalco. Diseño de Reactores. CURS 2015-II.

Ejercicio 1(B) Ejemplo de aplicación de las ecuaciones de diseño para un reactor de flujo continuo: Determinación del tamaño de un reactor CSTR y uno PFR. Experimentalmente se han podido medir las velocidades de reacción para la descomposición de A en la reacción de isomerización A → B en función de la concentración tal como se describe en la siguiente tabla: Tabla 1 X 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -rA(mol/m3s) 0.45 0.37 0.3 0.25 0.195 0.179 0.113 0.079 0.05 1/-rA (m3s/mol) FAo/-rA (m3)

A. La reacción se lleva a cabo en un reactor CSTR. La especie A entra en el reactor a la velocidad de flujo molar de 0,7 mol/s. Calcula:

a) Utilizando los datos de la tabla 1, calcula el volumen necesario pera llegar a una conversión del 70% en un reactor tipo CSTR.

b) Representa el gràficamente “FAo/-rA vs. X” e indica el área correspondiente al volumen necesario.

B. Si ahora la reacción se lleva a cabo en un reactor PFR y la velocidad de flujo molar alimentada de A es de 0,7 mol/s.

a) Primero utiliza la fórmula de integración por trapecios (mirar formula abajo) para determinar el volumen de un PFR que se necesita para llegar a una conversión del 70%. b) Representa gràficamente FAo/-rA e indica el àrea correspondiente al volumen necesario.

𝐶!! =𝐹!!𝑄

!"!!!

( Sugerencia: Utilize sustitución) 𝑉!"#$ =

!!!∗!!!!

𝑉!"# = 𝐹!!!"!!!

𝑓(𝑥)𝑑𝑥 =𝑏 − 𝑎2𝑛 𝑓 𝑥! + 𝑓 𝑥! + 2 ∗ 𝑓(𝑥!

!!!

!!!

)

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Diseño de Reactores. CURS 2015-II. Ejercicio 1(C) Para un sistema de dos reactors en serie se obtiene una conversión del 30% en el primer reactor. Cual es el volumen de cada una de los dos reactores que se necesita pera llegar a una conversión del 80% de la especie A entrante? Experimentalmente se ha podido medir las velocidades de reacción para la descomposición de A en función de la concentración tal como se describe en la seguiente tabla: Tabla 1 X 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 FAo/-rA (m3) 0.87 1.09 1.34 1.56 2.05 2.9 3.64 5.06 8.3

a) Si los dos reactores en serie son CSTR. b) Si los dos reactores en serie son de flujo pistón con una velocidad de flujo molar alimentada

de 0.6 mol/s

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Diseño de Reactores. CURS 2015-II. Ejercicio 1(D) Ejemplo de aplicación de las ecuaciones de diseño para un reactor de flujo continuo: Determinación del tamaño de un reactor CSTR y uno PFR. Experimentalmente se han podido medir las velocidades de reacción para la descomposición de A en la reacción de isomerización A → B en función de la concentración tal como se describe en la siguiente tabla: Tabla 1 X 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 X1 0.8 -rA(mol/m3s) 0.45 0.37 0.3 0.25 0.195 0.179 0.113 0.079 0.05 1/-rA (m3s/mol) FAo/-rA (m3)

A. La reacción se lleva a cabo en un reactor CSTR. La especie A entra en el reactor a la velocidad de flujo molar de 0,7 mol/s. Calcula:

a) Utilitzando los datos de la tabla 1, calcula la conversión X1 pera tener un volumen de 6.2 m3 en un reactor tipo CSTR.

b) Representa el gràficamente “FAo/-rA vs. X” e indica el área correspondiente al volumen necesario.

B. Si ahora la reacción se lleva a cabo en un reactor PFR y la velocidad de flujo molar alimentada de A es de 0,7 mol/s.

a) Primero utiliza la fórmula de integración por trapecios (mirar formula abajo) para determinar la conversión X1 de un PFR que se necesita para tener un volumen de 2.5 m3

b) Representa gràficamente FAo/-rA e indica el àrea correspondiente al volumen necesario.

𝐶!! =𝐹!!𝑄

!"!!!

( Sugerencia: Utilize sustitución) 𝑉!"#$ =

!!!∗!!!!

𝑉!"# = 𝐹!!!"!!!

𝑓(𝑥)𝑑𝑥 =𝑏 − 𝑎2𝑛 𝑓 𝑥! + 𝑓 𝑥! + 2 ∗ 𝑓(𝑥!

!!!

!!!

)

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Diseño de Reactores. CURS 2015-II. Ejercicio 1(E) Para un sistema de dos reactors en serie se obtiene una conversión del 36% en el primer reactor. Cual es el volumen de cada una de los dos reactores que se necesita pera llegar a una conversión del 96% de la especie A entrante? Experimentalmente se ha podido medir las velocidades de reacción para la descomposición de A en función de la concentración tal como se describe en la seguiente tabla: Tabla 1 X 0.0 0.12 0.24 0.36 0.48 0.6 0.72 0.84 0.96 FAo/-rA (m3) 0.87 1.09 1.34 1.56 2.05 2.9 3.64 5.06 8.3

a) Si los dos reactores en serie son CSTR. b) Si los dos reactores en serie son de flujo pistón con una velocidad de flujo molar alimentada

de 0.9 mol/s

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