problemas reacciones cataliticas

7/18/2019 Problemas Reacciones Cataliticas

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Departamento de química inorgánica e ingeniería química UCA

Departamento

de

Química

Inorgánica

e

Ingeniería Química.

Área

de

Ingeniería

Química

REACTORES QUÍMICOS

PROBLEMAS

CURSO 2010/11




(-

r A) =

2

C A

C B

1

PROBLEMAS DE CINÉTICA

C1-

Un

motor

cohete

quema

una

mezcla

estequiométrica

de

combustible

(H2

liq)

en

un

medio oxidante (O2 liq). La cámara de combustión es cilíndrica de 75 cm de longitud y 60 cm de

diámetro. Se producen 108 kg/s de gases de escape. Suponiendo la combustión total del H2,

hallar la velocidad de reacción:

a.- del hidrógeno

b.- del oxígeno.

C2- La ecuación estequiométrica de una reacción es

A + B —— > 2R

Calcúlese el orden de la reacción.

C3- Una reacción cuya ecuación estequiométrica es

1/2 A + B

––—– >

R + 1/2 S

tiene la ecuación cinética siguiente:

Dedúzcase la ecuación cinética para esta reacción, si la ecuación estequiométrica está escrita

en la forma A + 2B

——— >

2R + S

C4- Sea la reacción irreversible

2A + B ——— > A2B

para la que se encuentra que la

velocidad

de

formación

del

producto

se

ajusta

a

la

ecuación

cinética:

(r A2 B

)

0, 72[ A]2[ B]

1 2[

A]

¿Qué mecanismo de reacción se sugiere para esta expresión cinética, si la naturaleza química

de la reacción indica que el producto intermedio es una asociación de moléculas reactantes y

que no tiene lugar reacciones en cadena?

C5- Se ha encontrado que la descomposición del óxido nitroso en fase homogénea viene dada

por

la

ecuación

estequiométrica:

N2O

——— >

N2

+

1/2O2

de

ecuación

cinética

( r N 2O)

k 1[ N 2

O]2

1

k

2

[

N 2

O]

Dedúzcase un mecanismo que explique esta cinética.

Enz. C6- Sea la reacción enzimática

A ——— R

en la que consideramos que se forma un

producto

intermedio

de

concentración

apreciable.

Dedúzcase

la

ecuación

cinética

de

esta

reacción en función de [Eo] y [A], considerándose en el desarrollo la aproximación de estado

estacionario.




=

3

,66

p A

atm

2

C7- El ácido hipofosforoso se transforma en ácido fosforoso por la acción de agentes

oxidantes

H 3

PO2

Agente

Oxidante

>

H 3

PO3

La cinética de esta transformación presenta las siguientes características: Para concentraciones

bajas de agente oxidante

(r H 3 PO3) =

k[Ox][ H 3 PO2

]

Para concentraciones elevadas de agente oxidante

(r H

3 PO3)

=

k [

H

+

][

H

3

PO2

]

Para explicar las experiencias cinéticas se ha supuesto que con ion hidrógeno como catalizador

el H3PO2 (normalmente no reactivo) se transforma en forma activa, cuya naturaleza se

desconoce. Este producto intermedio reacciona con el agente oxidante y da H3PO3.

Demuéstrese que este esquema explica los resultados cinéticos observados.

C8- La ecuación cinética de una reacción es:

(- r A) =

0,005 C A

2

mol/ cm

3·min

Calcúlese el valor numérico y las unidades del coeficiente cinético, si la concentración se

expresa en mol/litro y el tiempo en horas.

C9- La ecuación cinética para una reacción en fase gaseosa a 400 K viene dada por:

-

dp A

dt

2

a) Indíquese las unidades del coeficiente cinético.

b) Calcúlese el coeficiente cinético para esta reacción, si la ecuación cinética viene expresada

por:

(

- r A

)

=

-

1

dN

V

dt

A =

k

C A

2

,

mol/litroh

C10- A 1100 K el craqueo térmico del n-nonano es 20 veces más rápido que a 1000K. Hallar

la Ea para esta reacción de descomposición.

C11- La pirólisis del etano tiene lugar con una energía de activación de unas 75000 cal/mol.

Calcúlese el aumento relativo de la velocidad de descomposición a 650 ºC con respecto a

500ºC.




3

C12- Para la reacción química

A ——— > R

y teniendo en cuenta los datos tabulados,

¿es razonable representar la relación velocidad-concentración por una expresión cinética de

orden

n?.

En

caso

afirmativo

hallar

el

orden

de

la

reacción.

CA

6,1

8,2

8,5

9,1

13,3

( -r A)

110

200

220

250

530

C13- Un hombre metódico todos los viernes por la noche va a una casa de juego con su

sueldo semanal de 3000 ptas.; juega durante 2 horas a un juego de azar; después marcha a

su casa y le da a su familia el sueldo menos 750 ptas. Su modo de jugar se puede predecir:

Siempre apuesta cantidades proporcionales al dinero que tiene, y, por tanto, sus pérdidas

también

son

predecibles.

La

<<velocidad

de

pérdida>>

de

dinero

es

proporcional

al

dinero

que tiene. Esta semana recibió un aumento de sueldo y jugó durante 3 horas, llegando a su

casa con la misma cantidad con que llegaba antes del aumento. Calcúlese el valor de ese

aumento.

C14- Si (-r A) = 0,2 mol/L·s cuando CA = 1 mol/L, calcúlese la velocidad de reacción cuando

CA= 10 mol/L. Nota: Se desconoce el orden de reacción.

C15-

Para

facilitar

la

extracción

de

petróleo

y

gas

en

yacimientos

dolomíticos,

se

suele

usar

ácido clorhídrico para disolver la dolomita (carbonato de calcio y magnesio). De esta forma se

aumenta el tamaño de los huecos que contienen el petróleo y se facilita su salida. La reacción

que se produce es la siguiente:

4HCl + CaMg(CO3)2

Mg2+

+ Ca2+

+ 4Cl- + 2CO2 + 2H2O

En la siguiente tabla se recogen valores de velocidades iniciales de reacción junto a los

correspondientes valores iniciales de concentración de ácido clorhídrico:

Determínese la ecuación cinética. Téngase en cuenta que la cantidad de dolomita está

en gran exceso respecto al ácido.

C16- Se investiga la cinética de descomposición de A, en fase acuosa, en un sistema de dos

reactores de mezcla completa en serie. El segundo reactor tiene un volumen doble que el

primero. En estado estacionario, cuando la concentración de la alimentación es de 1 mol L-1 y

el

tiempo

espacial

en

el

primer

reactor

es

de

96

s,

la

concentración

en

el

segundo

tanque

es

de

0,25 mol L-1. Determinad la ecuación cinética de la reacción de descomposición.

-3

CºHCl (mol dm )

0,10

0,50

1,00

2,00

4,00

7 -2 -1

(-rºHCl )·10 (mol cm s

)

0,36

0,74

1,20

1,36

2,00




4

C17- En una polimerización en fase gaseosa y a temperatura constante, desaparece el 20% de

monómero en 34 minutos, partiendo de la concentración del monómero de 0,04 mol/L y

también de 0,8 mol/L. Calcúlese la velocidad de desaparición del monómero.

C18- En un reactor discontinuo, un reactante (CAo = 1mol/L) alcanza la conversión del 80% en

8 minutos, y se necesitan 18 minutos para que la conversión sea del 90%. Dedúzcase una

ecuación cinética que represente esta reacción.

C19- En un reactor discontinuo se efectúa la reacción reversible de primer orden en fase

líquida:

A

R,

CAo = 0,5 mol/L,

CRo = 0

Calcúlese

la

ecuación

cinética

de

esta

reacción,

si

en

8

minutos

se

alcanza

una

conversión

del

33,3 % y la conversión de equilibrio es de 66,7 %.

C20- Calcúlese el orden global de la reacción irreversible:

2H2 + 2NO

N2 + 2H2O

a partir de los siguientes datos a V = Cte, empleando cantidades equimoleculares de H2 y de

NO:

Ptotal(mmHg)

200

240

280

320

326

Periodo

medio (s)

265

186

115

104

67

C21- La reacción en fase acuosa

A R+S

transcurre de acuerdo con los

datos siguientes

Tiempo (min.)

0

36

65

100

160

CA (mol/L)

0,1823

0,1453

0,1216

0,1025

0,0795

0,0494

CAo = 0,1823 mol/L

CRo = 0

CSo =55 mol/L

Dedúzcase su ecuación cinética.

C22- Calcúlese el coeficiente cinético para la desaparición de A en la reacción de primer orden en

fase gaseosa 2 A ——— > R si la presión se mantiene constante y el volumen de la mezcla

reaccionante disminuye el 20 % en 3 minutos, cuando la mezcla de partida contiene el 80 % de A

C23- Evaluate the rate constant K for the irreversible reaction

(CH3)2O

——— >

CH4

+

H2

+

CO

using next data. The data were collected at 504 ºC in a constant volume reactor. At time, t=0,




5

the reactor is filled with pure dimettyl ether.

Time (s)

390

777

1195

3155

p

(mm

Hg)

96

176

250

476

619

C24- Para la siguiente reacción de descomposición:

CH3

O

O

| || || CH3 – C – CH2 – C – CH3

———— >

2 CH3 – C – CH3

|

(KOH)

OH

Se

obtuvieron

los

siguientes

datos

en

un

dilatómetro:

tiempo(s)

0

24,4

48

75,8

106,6

183,6

altura(mm)

8

20

28

34

38

42

43.3

El cambio de altura en el líquido del tubo fue utilizado para el seguimiento del progreso de la

reacción. La reacción es esencialmente irreversible. Los datos anteriores se obtuvieron a 25

ºC. Determinar el orden de reacción y evaluar la constante de velocidad.

C25.-

Para

la

reacción

del

ácido

sulfúrico

con

sulfato

de

dietilo

en

disolución

acuosa:

H 2

SO4

(C 2 H 5 )2 SO4

2C 2

H 5

SO4

H

Hellin y Jungers (1957) determinaron los datos siguientes, a 25 ºC:

Las concentraciones iniciales de H2SO4 y (C2H5)2SO4 son 5,5 mol/L. Dedúzcase una ecuación

cinética

para

esta

reacción.

C26- Una pequeña bomba de reacción, equipada con un dispositivo sensible para la medida de

Tiempo

(min) C2H5SO4H

(mol/litro)

Tiempo

(min) C2H5SO4H

(mol/L)

0

41

48

55 75

96

127

146

162

0

1,18

1,38

1,63 2,24

2,75

3,31

3,76

3,81

180

194

212

267 318

368

379

410

4,11

4,31

4,45

4,86 5,15

5,32

5,35

5,42

(5,80)




6

presión, se evacua y se carga después con una mezcla de 76,94 % de reactante A y de 23,06 % de

inertes a la presión de 1 atm. La operación se efectúa a 14 ºC, temperatura suficientemente baja

para que la reacción no transcurra en extensión apreciable.

La

temperatura

se

eleva

rápidamente

a

100

ºC,

sumergiendo

la

bomba

en

agua

hirviendo,

obteniéndose los datos de la tabla de abajo. La ecuación estequiométrica es A —— 2R y

después de un tiempo suficiente, la reacción se completa. Dedúzcase una ecuación cinética que se

ajuste a estos datos, expresando las unidades en mol, litro y minuto.

27-

Se

ha

de

producir

ácido

propiónico

en

un

reactor

de

mezcla

completa

mediante

la

hidrólisis de su sal sódica.

C2H5COONa

+

HCl

C2H5COOH

+

NaCl

Se

ha

realizado

una

investigación

de

laboratorio

en

la

que

se

han

determinado

las

conversiones obtenidas para diferentes condiciones de alimentación:

C'Ao = C'Bo = 5,4 molg/L (Concentraciones de propionato y ácido clorhídrico

(en las corrientes de entrada al reactor).

Volumen del reactor = 2 litros.

qoA(L/min.) 0,52 0,104 0,03 0,005 0,00235

qoB(L/min.)

0,52

0,104

0,03

0,005

0,00235

XA observada 0,1

0,3

0,5

0,7

0,75

Se sabe que la reacción es de segundo orden con una cte. de equilibrio K=16.

La planta deberá procesar 40 L/min. de A, a una concentración de 325 kg A/m3 y 40 L/min. de

B a una concentración de 123,6 kg B/m3. Las condiciones de la planta serán idénticas a las

usadas en los experimentos de laboratorio.

a) ¿Cuál es la ecuación cinética?

b) ¿Cuál es el volumen del reactor que da lugar a una conversión de A del 75 %?

c) Si la relación L/D para el reactor es igual a uno, especifíquese las dimensiones del tanque

cilíndrico a utilizar como reactor.

C28- Para las reacciones consecutivas

2A

B

y

2B

C,

se han medido las

concentraciones como funciones del tiempo espacial en un RMC. En todos los experimentos,

t (min) (atm)

t (min) (atm)

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

1,50

1,65

1,76

1,84

1,90

1,95

3,5

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

1,990

2,025

2,080

2,120

2,150

2,175




7

CAo = 2 mol-lb/ft3. El caudal volumétrico permanece constante. Los datos se recogen en la

tabla adjunta. Verifíquense las ecuaciones de velocidad propuestas:

r A

k 1C

y

r B

0,5k 1C

k 2C B

8

PROBLEMAS DE DISEÑO

D1- Se han de obtener 100 molg por hora de R a partir de una alimentación constituida por

una solución saturada de A (CAo = 0,1 mol/L) en un reactor de flujo de mezcla completa. La

reacción es:

A ——— > R

siendo

r R = (0,2 h-1

) CA

El coste de reactante para CAo = 0,1 mol/L es: $A = 50 pta/mol de A.

El coste del reactor incluyendo instalación, equipo auxiliar, instrumentos, gastos generales,

mano de obra, amortización, etc. es:

$m = 1 pta/h·L.

Calcúlese

el

tamaño

de

reactor,

el

caudal

de

alimentación

y

la

conversión

para

las

condiciones

óptimas. ¿Cuál será el coste unitario de R para estas condiciones si se prescinde del

componente A que no ha reaccionado?

D2- Supongamos que todo el componente A del ejercicio 1 que no ha reaccionado se puede

recuperar de la corriente del producto y llevarlo a la concentración inicial de CA=0,1 mol/L a

un coste total de

$r = 12,5 pta/mol de A.

Con esta recuperación de A como corriente de recirculación, calcúlense las nuevas

condiciones

óptimas

y

el

coste

unitario

del

producto

R.

D3- La oxidación del tolueno a ácido benzóico en fase líquida, ha sido estudiada en un reactor

discontinuo provisto de agitación y utilizando aire como medio oxidante, benzaldehido como

iniciador y acetato de plata como catalizador. La reacción sigue una cinética de primer orden,

con respecto a la concentración de tolueno CT

r = kCT donde k = 6,1·10-6

s-1

para t = 160 ºC

Operando en las condiciones experimentales siguientes:

Presión = 20 atm

Agitación = 300 rpm

Flujo de aire = 160 L/h (CN)

Concentración inicial de tolueno = 9,3 mol/L

CA

CB

10

1,000

0,4545

20

0,780

0,5083

40

0,592

0,5028

100

0,400

0,4000

450

0,200

0,1636




―

―

― acetato de plata = 0,01 mol/L

Se obtiene una selectividad media a ácido benzóico del 80 %.

Si se desea obtener una concentración de 90 g/L de ácido benzóico (concentración máxima a

la que dicho ácido permanece sin cristalizar) así como, una fabricación diaria de 50 kg de

ácido

benzóico,

trabajando

sólo

6

h/día,

determinar:

a)

el tiempo de reacción necesario

b)

el tiempo en el que se ha de cargar, descargar y limpiar el reactor

c) el volumen de reactor necesario.

D4- Uno de los agentes absorventes mas utilizados en la petroquimica es el etielnglicol, la producción de éste utiliza como materia prima el óxido de etileno, este compuesto se obtiene a partir de la oxidación catalítica del etileno, con un sitema catalítico de PdCl2 y CuCl2 (=0.94g/cm3), la reaccion principal de éste proceso es:

C2H4 + H2O ——— > C2H4O…….(Hr = -58 kcal/mol)

Y para producir etilenglicol es:

C2H4O + H2O ——— > C2H4(OH)2

La oxidacion de etileno se da en un reactor catalitico de lecho fijo con una conversión máximadel 76%, la producción de etilenglicol tienen una conversión del 99%. Si se desea producir 0.5tn/dia de etilenglicol. Determinar el volumen del reactor y la masa de catalizador necesario,

para producir oxido de etileno suficiente, si el reactor debe tener 1.5 m de diametro, operar a 10atm y el etileno ingresa a 27 ºC.

Ademas para la oxidacion:-r= k(PE)a(PO) b [kmol etileno/h· kg·cataliz.]

Donde:PE : presion parcial de etileno (atm)PO : presion parcial de oxigeno (atm)k : 29540.77·exp(-100.9/T)a : 1.5952-0.0024

b :0.4102+0.005T

D5- Leyes y Othmer estudiaron la formación del acetato de butilo en un reactor discontinu

o

a100

ºC,

usando

H2SO4

como

catalizador.

La

alimentación

contenía

4,97

moles

de

butanol

por mol de ácido acético; la concentración del catalizador era 0,032 % en peso. La cinética del sistema, dado un exceso de butanol, es

(-r A) = kCA2,

donde CA es la concentración de ácido acético en molg/ml; r la velocidad de reacción en

molg

de

acético/ml·min.

Para

la

razón

butanol/acético

=

4,97

y

una

concentración

de

catalizador del 0,032 %, k = 17,4 cm3/molg·min.

Las densidades de las mezclas de ácido acético, butanol y acetato de butilo son desconocidas.

Las densidades de los componentes son (a 100 ºC): ácido acético = 0,958; butanol = 0,742 y

acetato

de

butilo

=

0,796,

todos

ellos

en

g/cm3

.

Aunque

la

densidad

de

la

mezcla

de

reacción

varía con la conversión, el exceso de butanol reduce la magnitud del cambio. Por tanto, de

modo aproximado, la densidad de la mezcla se considera constante e igual a 0,75 g/cm3.

-a) calcular el tiempo requerido para obtener una conversión del 50 %




-b) determinar el tamaño del reactor y la cantidad original de reactivos que se deben cargar en

él, para producir el éster a una velocidad media de 100 lb/h. Se usará un reactor solamente, el

cual estará sin funcionar durante 30 minutos, entre cada operación, tiempo necesario para

recuperar el producto, limpieza y arranque de nuevo. Considérese mezcla completa en el reactor y

-c)

¿por

qué

se

elige

una

conversión

X

=

0,5?.

D6- La descomposición de la fosfamina en fase gaseosa homogénea transcurre a 650 ºC según

la reacción:

4 PH3 (g) ——— > P4 (g)

+

6H2

con ecuación cinética de primer orden

(-r PH3) = (10 h-1

)CPH3

Calcúlese el tamaño de reactor de flujo pistón, si las condiciones de operación son 650 ºC y 4,6

atm;

la

conversión

ha

de

ser

del

80

%

y

la

alimentación

es

de

1800

molg

de

fosfamina

pura

por

hora.

D7- En un reactor de mezcla completa (RMC), de volumen V = 1 litro, entra como

alimentación 1 L/min de un líquido que contiene los reactantes A y B, con concentraciones

CAo = 0,10 mol/L, CBo = 0,01 mol/L. Las sustancias reaccionan de una manera compleja para

la que se desconoce la estequiometría. La corriente

de

salida

del

reactor

contiene

los

componentes A, B y C con CAf = 0,02 mol/L, CBf = 0,03 mol/L, y CCf = 0,04 mol/L. Calcúlense

las velocidades de reacción de A, B y C para las condiciones existentes en el reactor.

D8-

En

un

reactor

de

mezcla

completa

(V=0,1

litro)

entra

con

caudal

constante,

una

alimentación constituida por el reactante gaseoso puro A de CAo= 100 mmol/L y allí se

dimeriza

(2A —— > R).

Calcúlese

la

ecuación cinética

de

esta

reacción

a

partir

de

los

siguientes datos obtenidos experimentalmente para distintos caudales de alimentación:

nº de experiencia

1

2

3

4

qo, (L/h)

30,0

9,0

3,6

1,5

CAs, (mmol/L)

85,7

66,7

50

33,3

D9- Se ha encontrado que la velocidad de la reacción A ——— > 3R en fase gas a 215 ºC,

es:

(-r A) = 10-2

CA1/2, [mol/L·s]

Calcúlese el tiempo espacial necesario para alcanzar la conversión del 80 % a partir de una

alimentación del 50 % de A y 50 % de inertes, en un reactor de flujo en pistón que opera a 215

ºC y 5 atm (CAo = 0,0625 mol/L).

D10- Se supone que la reacción gaseosa entre A, B y R es elemental reversible de la forma:

k 1 A + B

<=======>

R k 2

y para comprobarlo se planifican experiencias en un reactor isotérmico de flujo en pistón.




Conocida la ecuación cinética:

a) Dedúzcase

la

ecuación

de

diseño

para

condiciones

isotérmicas con esta expresión cinética y una alimentación constituida por A, B, R e inertes.

b) Indíquese cómo ha de ensayarse esta ecuación para una alimentación equimolar de A y B.

D11-

En

presencia

de

agua

y

ácido

clorhídrico

(como

catalizador),

la

velocidad

de

esterificación, en molg/L·min, del ácido acético y el alcohol etílico a 100 ºC, viene dada por

r E = kCHCOH,

k = 4,76·10-4

L/min·molg

La velocidad de la reacción inversa (hidrólisis del éster) con la misma concentración del catalizador es:

(-r E)= k´CECA, k' = 1,63·10-4

L/min·molg

a) se carga un reactor con 100 gal de una disolución acuosa, conteniendo 200 lb de ácido

acético,

400

lb

de

alcohol

etílico

y

la

misma

concentración

de

catalizador

que

se

usó

para

obtener

las

constantes

de

la

velocidad

de

reacción.

¿Cuál

será

la

conversión

de

ácido

acético

a

éster después de un tiempo de reacción de 120 min? Considere = cte =8,7 lb/gal. Despreciar

el agua evaporada. b) ¿Cuál es la conversión de equilibrio?

D12- El ácido propiónico es producido, en fase acuosa, por la reacción

C2H5COONa + HCl

<=======>

C2H5COOH + NaCl

Se

sabe

que

la

cinética

de

la

reacción

es

de

segundo

orden

y

reversible.

Se

realizó

un

experimento

en

discontinuo

con

cantidades

equimoleculares

de

los

reactivos,

de

forma

que

la

concentración inicial de cada reactivo fue de 2,7 molkg/m3. La tabla siguiente muestra los

resultados obtenidos para diferentes muestras tomadas a lo largo del tiempo

___________________________________________________

tiempo (min.)

0

10

20

30

50

XProNa. (%)

0

39

55

64

72.5

80

___________________________________________________

Calcular un reactor discontinuo, que trabajando en las mismas condiciones en las que se han

determinado

los

datos

cinéticos,

produzca

1360

kg

de

ác.

propiónico

por

hora.

El

tiempo estimado para la carga del reactor, calentamiento hasta la temperatura de trabajo, enfriamiento

después de la reacción y descarga es de 45 min. Puesto que la conversión de equilibrio es del 80 %, se considerará como aceptable una conversión en el reactor del 75 %.

La concentración inicial de propionato sódico en el reactor será de 323 kg/m3 y la de ác.

clorhídrico 123,4 kg/m3. La densidad se puede suponer constante e igual a 1199 kg/m3.

D13- Se va a realizar la nitración de benceno en un reactor continuo de tanque agitado. Se

producen las siguientes reacciones:

benceno + ácido nítrico

——— >

nitrobenceno + agua

nitrobenceno + ácido nítrico ——— >

dinitrobenceno + agua

dinitrobenceno + ácido nítrico ——— > trinitrobenceno + agua




Suponiendo que cada reacción es linealmente dependiente de la concentración de los reactivos

correspondientes, deducir el

conjunto de ecuaciones que dan la distribución completa de

productos en este reactor.

Existen dos corrientes de alimentación, una de benceno puro y otra de ácido nítrico al 98 %.

Suponer densidad constante.

D14- Se produce ftalato de dibutilo en un reactor continuo de mezcla completa a 112 ºC. La

velocidad de formación del monoéster a partir de anhídrido ftálico y butanol es muy rápida, la

etapa controlante, en presencia de ácido sulfúrico como catalizador, es la conversión del monoéster a diéster.

C6H4(COOC4H9)COOH

+

C4H9OH

——— >

C6H4(COOC4H9)2 + H2O

(A)

(B)

La velocidad de reacción viene dada por la expresión:

(-r A) = kCA2 molg/L·h

donde CA

es

la

concentración

del

monoéster.

El

valor

de

la

constante

aparente

de

velocidad

para

una

relación

molar

B/A=3,

una

concentración del catalizador igual al 2 % en peso y una temperatura de 112 ºC, viene dada

por:




12

k = 0,7628·10(11,.695-4516/T)

(L/molg·h)

donde T es la temperatura en K.

La concentración inicial del monoéster es de 2,84 molg/L y la densidad de la mezcla de

reacción

es

de

0,984

kg/L.

a) En un reactor de MC de 1,1 m

de diámetro interno y 1,6 m de altura, con un caudal

volumétrico de 10 L/min., encontrar la conversión conseguida en el reactor ideal de MC. Si la

conversión conseguida en la práctica es del 68,5 %, justificar las discrepancias.

b) Si la producción deseada del diéster es de 10 Tm/día, ¿se puede conseguir este objetivo con

la planta?, si no, ¿cómo se podría conseguir?

D15- La hidrólisis del anhídrido acético:

(CH3CO)2O

+

H2O

——— >

2CH3COOH

es de pseudo primer orden cuando se realiza con una concentración en anhídrido acético

menor de, aproximadamente, 0,2 M, entre 10 y 40 ºC. La constante cinética para la

desaparición del anhídrido en una solución diluida a 25 ºC es 0,155 min-1. La energía de

activación es 10,6 kcal/molg (R=1,987 cal/molg·K).

a)

Calcular

un

reactor

de

FP

para

producir 200 kg/h de ácido acético a 35 ºC y con una

conversión del 95 % a partir de una alimentación 0,07 M en anhídrido.

b)

Suponiendo

que

no

se

supiera

el

valor

de

la

constante

cinética

ni

el

de

la

energía

de

activación,

pero

sí

los

resultados

de

un

experimento

de

laboratorio

que

se

recogen

en

la

tabla

siguiente, determinar el tamaño del reactor usando dichos resultados:

D16- La cloración del diclorotetrametilbenceno, en ácido acético, ocurre a 30 ºC de acuerdo a la

ecuación:

C6(CH3)4Cl2

+

Cl2

HCl

+

C6(CH3)3CH2ClCl2

Los siguientes datos se han obtenido para la reacción anterior en un reactor de mezcla

completa

Tiempo, t(s)

0

48

85

135

171

223

257

Conversión, x 0 0,21 0,32 0,44 0,52 0,60 0,64

Si la concentración inicial de diclorotetrametilbenceno (B) y cloro (A) son respectivamente

CBo = 34,7 mol·m-3

y CAo = 19,2 mol·m-3

. Usar los datos anteriores para demostrar que la

reacción es de segundo orden. Calcular el volumen de reactor de flujo pistón necesario para

alcanzar

una

conversión

del

cloro

del

90

%,

para

un

caudal

de

alimentación

de

1,5·10

-4

m

3

·s

-1

usando la misma concentración inicial.

CA

(molg/L) 0,00

0,0035 0,005 0,010 0,016 0,035 0,047 0,059 0,062 0.070 0.089 0.100

r acid

molg/L·min

0,00 0,0019

0,0028

0,0055

0,0089 0,019 0,026 0,033 0,034 0,039 0,049 0,055




13

D17- Se desea llevar a cabo la reacción de primer orden

A

R

en un reactor

discontinuo operando isotérmicamente. Se pretende obtener 5890,5 moles de R por día con

una conversión del 99 % del reactante A alimentado. La operación de carga y de calefacción

del

reactor

hasta

la

temperatura

de

reacción

requiere

0,38

h,

y

descargarlo

y

prepararlo

para

la siguiente carga requiere otras 0,9 h. Calcular el volumen de reactor necesario sabiendo que en

las condiciones de reacción la constante cinética vale 0,015 min-1, que la alimentación es

reactante A puro (CAo= 8,5 mol A/L) y que el reactor puede trabajar como máximo 13 h/día.

D18- Se desea llevar a cabo la deshidrogenación de etano a etileno

C2H6

C2H4 + H2

en un reactor de flujo pistón isotérmico a 750 ºC y 1 atm. de presión. La constante cinética

varía

con

la

temperatura

según

la

expresión

k(s-1)

=

0,602·1015exp(-35970/T);

el

tiempo

espacial es = 4 s. Si la alimentación es etano puro, calcular la conversión obtenida.

Comparar el resultado con el obtenido despreciando la expansión molar.

D19- Una reacción de isomerización de primer orden

A

B

es irreversible y se

lleva a cabo en fase líquida en un reactor discontinuo. Calcular el volumen de reactor y el

número de cargas necesarias para una producción anual de 104 kg de B. (La planta es

operativa durante 300 días (7200 h) en el año).

Datos:

Tª de reacción = 150 ºC

k

= 2,6·1014e-125000/RT h-1

XAf = 0,9

to(min.)

=10 (llenado) + 16 (calentamiento) + 14 (vaciado) +

30 (limpieza)

Densidad = 900 kg/m3

(la densidad de la alimentación y del producto son similares).

La energía de activación viene medida en J/molg.

D20- El acetaldehido se descompone homogéneamente de acuerdo a la ecuación

CH3-CHO CH4 + CO

Se

alimentan

0,01

kg·s-1

de

acetaldehido

a

520

ºC

y

a

1

atm a un RFP. La reacción es

irreversible, de segundo orden y la constante k = 0,43 m3·kmol-1·s-1.

Calcular:

a)

el

volumen

de

reactor

para

una conversión del 90%, y b) el tiempo espacial

necesario para dicha conversión.

D21- Un alimento gaseoso puro A, de concentración inicial 88 mmol/L a 1 atm y 25 ºC, entra en

un reactor de mezcla completa. La reacción que ocurre es

A

——— >

3

R

Determinar el orden de la reacción y la constante de velocidad a partir de los siguientes datos:




14

D22- La hidrólisis de la sacarosa se lleva a cabo en tres tanques iguales de mezcla completa en

serie.

H+

C12H22O11

C6H12O6 + C6H12O6

H2O (G) (F)

La reacción es de primer orden y la constante k = 0,042 min-1. Calcular la conversión que se

alcanza, si el volumen de cada tanque es 1,8 dm3 y el caudal de alimentación 0,6·10-3

m3/min.

D23-

Aplicación

de

la

reacción

de

Diels-Alder

a

la

reacción

de

butadieno

con

etileno

en

un

reactor homogéneo de flujo pistón.

Se sabe que el 1,3-butadieno (A) reacciona con etileno (B) en fase gaseosa y a temperatura

superior a 400 ºC, vía reacción Diels-Alder, para dar ciclohexeno (C).

CH2=CH-CH=CH2 +

C2H4

C6H10

Si se alimenta un RFP con una alimentación equimolecular de 1,3-butadieno y etileno, a 450

ºC y 1 atm, calcular el tiempo espacial () necesario para convertir el 10% de butadieno a

ciclohexeno,

mediante

una

operación

isotérmica

Datos

La reacción es de segundo orden

k = 107,5exp(-115500/RT) dm3 · mol-1· s-1

La reacción reversible es despreciable.

D24- La reacción A B es una isomerización irreversible de primer orden. A y

B son líquidos de muy baja volatilidad con un peso molecular de 250 g/mol. Ambos líquidos

tienen una densidad de 900 kg/m3 y un calor específico de 525 J/mol·K. La reacción se lleva a

cabo

en

fase

líquida

en

un

reactor

discontinuo

de

M

C

y

con

una

conversión

de

0,97.

Calcular el volumen de reactor necesario para una producción anual de 106 kg de B,

suponiendo que el reactor trabaja isotérmicamente a 436 K.

La planta es operativa para 7000 h en el año. Calcular el máximo calor producido por carga.

Para cada carga se necesita 10 min para llenar el reactor, 12 para llevarlo a su temperatura y

14 para vaciarlo al final del periodo de reacción.

La velocidad de consumo del reactivo A por unidad de volumen de reactivo/mezcla producida,

(-r A),

viene

dada

por

la

ecuación

cinética

de

primer

orden

(-r A)

=

kCA donde

CA es

la

concentración de A y k, a 436 K, k 436 = 0,80 h-1

. El calor de reacción molar del reactivo A,

HrA

=

-87,15

kJ/mol.

D25- La reacción en fase gaseosa, irreversible A

——— >

3B

se realiza isotérmicamente.

(min)

11,4

20,2

31,7

46,7

90,9

-1

CA mmol·L 43

36

32

28

21




15

La reacción es de orden cero, la concentración de A es 2 mol/dm3, y el sistema contiene el 40

% de inertes. La constante de velocidad es 0,1 mol/(dm3·min).

Calcular el tiempo necesario para alcanzar una conversión del 80 % en:

a)

Un

reactor

discontinuo

a

volumen

constante. b) Un reactor discontinuo a presión constante.

Para un caudal volumétrico de 2 dm3/min, calcular el volumen del reactor y el tiempo espacial

necesario para alcanzar la conversión del 80 % en:

c) Un reactor continuo de tanque agitado.

d) Un reactor de flujo pistón.

D26- La hidrólisis de un éster se realiza en un tanque agitado en el que entran dos corrientes,

una de éster con un caudal de 9 L·s-1 y una concentración de 0,02 molg·L-1

y otra de sosa

cáustica

con

un

caudal

de

1

L·s-1

y

concentración

de

1

molg·L-1.

La

reacción,

con

una

cinética

de 2º orden, es:

R-COO-R’ +

NaOH ——— > R-COONa

+ R’OH

El valor de la constante cinética es k = 0,03 m3·molkg-1·s-1

a) Determínese el volumen del tanque para obtener una conversión del 40 %.

b) Si la corriente producto del reactor anterior se utiliza como alimentación para un segundo

reactor de mezcla completa, ¿cuál sería el volumen necesario de este segundo tanque, para

conseguir al final una conversión total del 80 %.

c)

Analice

la

diferencia

de

volumen

entre

ambos

reactores.

D27- La hidrólisis en fase líquida de disoluciones acuosas diluidas de anhídrido acético es un

proceso irreversible dado por:

(CH3-CO)2O

+

H2O ——— > 2 CH3-COOH

Para efectuar la hidrólisis en un reactor discontinuo adiabático, se carga éste con 200 L de

disolución de anhídrido acético a 15ºC. La concentración inicial de anhídrido es 2,16·10-4

molg·cm-3, la densidad es de 0,9 kg·L-1, Cp = 1,05 kcal·kg-1·ºC-1 y el calor de reacción es -

5·104 cal·molg-1. La velocidad de reacción a distintas temperaturas es:

Siendo CA, la concentración de anhídrido.

a)

Determínese

la

evolución

de

la

temperatura

en

función

de

la

conversión.

b) Calcúlese el tiempo de reacción necesario para alcanzar una conversión del 70 %.

Temp.,

ºC

10

15

25

40

-1 -1

(-r A), mol L min

0,057 CA

0,0806 CA

0,158 CA

0,380 CA




El reactor industrial operará isotérmicamente y se alimenta con una solución de 1 mollb/ft3 de

16

D28- Se desea diseñar un reactor continuo de tanque agitado para producir 200 millones de libras

de etilenglicol al año hidrolizando óxido de etileno.

Previamente,

y

para

determinar

la

cinética

de

la

reacción,

se

realizó

un

experimento

de

laboratorio en un reactor discontinuo. Se mezcló 500 mL de una disolución 2 M de óxido de etileno en agua

con

500

mL

de

agua,

conteniendo

un

0,9

%

en

peso

de

ácido

sulfúrico

que

actúa

como

catalizador.

La reacción elemental irreversible que ha de considerarse es la siguiente:

O

H2SO4

CH2 – CH2 + H2O ———— > CH2OH – CH2OH

(A) (B) (C)

La

temperatura

se

mantuvo

a

55

ºC.

La

concentración

de

etilenglicol

se

midió

en

función

del

tiempo, resultando:

óxido de etileno en agua junto con un volumen igual de agua que contiene 0,9 % de ácido

sulfúrico como catalizador. Determine el volumen que debe tener el reactor si ha de lograrse

una conversión del 80 %.

Se considera que no hay reacciones colaterales. Así mismo, al estar el agua en exceso, se

admite que la concentración de ésta permanece constante durante todo el proceso.

D29- Una mezcla de 28 % de SO2 y 72 % de aire se carga en un reactor de flujo en el que se

oxida

el

SO2

según

la

ecuación:

2SO2

+ O2 ——— > 2SO3

Calcule la concentración de todas las especies químicas presentes para una conversión XSO2 = 0,5

y el valor de la velocidad de reacción r SO2 para la citada conversión; supóngase una cinética de

primer orden respecto a cada reactivo, siendo la presión inicial 1 atm.

D30- Calcular la concentración de glicerina obtenida y reactivos sobrantes, en la

saponificación

de

una

mezcla

de

hidróxido

sódico

(A)

con

estearato

de

glicerilo

(B),

con concentraciones iniciales CAo = 10 M y CBo = 2 M.

Resuélvase el problema considerando que se alcanzara una conversión de hidróxido sódico:

a) del 20 %, b) del 90 %, c) ¿cuál sería la conversión XA máxima que podría alcanzarse?. Se

considera una reacción en fase líquida y a densidad constante.

t(min)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

3,0

4,0

6,0

10,0

CC(M)

0,000

0.145

0,270

0,376

0,467

0,610

0,715

0,848

0,957




3NaOH + (C17H35COO)3C3H5

——— >

3C17H35COONa + C3H5(OH)3

A

B

C

D




17

D31- Se efectúa la descomposición reversible en fase gaseosa de tetróxido de dinitrógeno

N2O4, para dar dióxido de nitrógeno NO2, a temperatura constante. La alimentación consiste

en

N2O4

puro

a

340

K

y

2

atm.

La

constante

de

equilibrio

Kc

a

esta

temperatura

es

0,1 molg/dm3.

a) Calcule la conversión de equilibrio de N2O4 en un reactor discontinuo a V=cte.

b)

Calcule la conversión de equilibrio de N2O4 en un reactor de flujo.

c) Suponiendo que la reacción es elemental, expresar la velocidad de reacción en función de

la conversión para ambos tipos de reactores.

D32- Determine el volumen de reactor de flujo pistón necesario para producir 300 millones de

libras de etileno, C2H4, al año por pirólisis de una corriente de alimentación de etano puro

C2H6. La reacción es elemental e irreversible. Queremos lograr una conversión del 80 % del

etano,

operando

isotérmicamente

a

1100

K

y

a

una

presión

de

6

atm.

Datos:

k

=

0,072

s-1

a

1000 K; Ea = 82 kcal/molg; R = 1,314 (ft3·atm/mollb·K).

D33- Se quiere producir 4 millones de lb/año de ftalato de dibutilo (DBP) por reacción de n-

butanol con ftalato de monobutilo (MBP). La reacción es elemental y se cataliza con H2SO4. Una corriente que contiene MBP y butanol, se mezclará con el catalizador inmediatamente

antes de entrar en el reactor. La concentración de MBP en esta corriente de entrada es de 0,2

mol-lb/ft3 y la velocidad de alimentación molar del butanol es cinco veces mayor que la de

MBP. La velocidad de reacción específica a la temperatura de trabajo es de 1,2 ft3/mol-lb·h.

Se

cuenta

con

un

CSTR

de

1000

galones

que

puede

usarse

durante

30

días/año,

operando

las

24

horas

del

día.

H2SO4

C6H4C6H10O4 + C4H9OH ————— > C6H4C10H18O4 +

H2O

(MBP) (n-butanol) (DBP)

A

B

P

R

Determine la conversión en la salida del reactor.

Determine el caudal molar de A en la alimentación. Determine el caudal volumétrico de la alimentación.

¿Qué ocurriría si en lugar de emplear un único reactor de mezcla completa, se emplearan dos

reactores iguales en serie, de 1000 gal cada uno?, ¿Cuánto tiempo se tardaría en fabricar los 4

millones

de

lb

de

ftalato

de

dibutilo?.

¿Y si los reactores del apartado d) se asociaran en paralelo?.

¿Y si tuviera un solo reactor de volumen igual a 2000 gal?.

¿Qué volumen de CSTR se necesitaría para alcanzar una conversión del 85 % con una

velocidad de alimentación molar de MBP de 1 mol-lb/min.?.

¿Qué volumen de reactor de flujo pistón sería necesario para alcanzar una conversión del 85%?.

Datos: 1 ft3 = 7,48 galones

D34- Se ha encontrado que la reacción entre la etilenclorhidrina y el bicarbonato sódico para

dar

etilenglicol

CH2OH-CH2Cl

+

NaHCO3 —— > (CH2OH)2 +

NaCl

+

CO2




Se han realizado pruebas de almacenamiento aceleradas con este cereal, con los siguientes

a) Calcular la cantidad de exceso de vitamina que necesita tener para mantener la cantidad

18

es elemental con coeficiente cinético k = 5,2 L/mol·h a 82 ºC. Basándose en estos datos, ha de

construirse una planta piloto para determinar la viabilidad económica de producir etilenglicol,

a partir de la mezcla de una disolución acuosa de bicarbonato del 15 % en peso con otra de

etilenclorhidrina

del

30

%

en

peso.

Calcule

el

volumen

de

reactor

de

flujo

pistón

que producirá

200

kg/h

de

etilenglicol

con

una

conversión

del

95

%

para

una

alimentación

equimolar y suponiendo que la densidad, tanto de las disoluciones de partida como de la

mezcla reaccionante, vale 1,12 g/cm3. Repetir los cálculos para un reactor de mezcla completa.

D35- La reacción elemental en fase gaseosa

(CH3)3C-OO-C(CH3)3 —— > C2H6

+

2CH3COCH3

se

efectúa

isotérmicamente

en

un

reactor

de

flujo

sin

caída

de

presión.

La

velocidad

de

reacción

específica,

a

50

ºC,

es

de

10-4

min-1

y

la

energía

de

activación

es

85

kJ/mol.

El

peróxido de diterbutilo puro entra en el reactor a 10 atm y 127 ºC con una velocidad de flujo

molar de 2,5 mol/min. Calcule el volumen de reactor y el tiempo espacial necesarios para

alcanzar una conversión del 90 % en: a) un reactor continuo de mezcla completa b) un reactor

de flujo pistón.

D36 – Se ha comprobado que los nutrientes (vitamina) contenidos en los cereales se degradan

con el tiempo, siguiendo una cinética de primer orden respecto a la cantidad de nutrientes. Por

tal motivo es necesario añadir más cantidad de la especificada en la caja, para garantizar que

haya

suficiente

durante

su

periodo

de

vigencia.

Cada

porción

de

cereal

(equivalente

a

30

g)

contiene

el

20

%

de

la

Ingesta

Diaria

Recomendada

de

la

vitamina

X,

siendo

ésta

de

6500

UI

(1,7·106 UI = 1 g de vitamina).

resultados

indicada

durante

un

año

a

25

ºC. b) si se producen10·106

lb/año y el nutriente cuesta 5 € la libra, ¿cuánto costará este exceso?

D37-

La formación de difenilo se efectuará a 760 ºC según la reacción:

2 C6H6

C12H10

+

H2

La alimentación será benceno puro en fase gaseosa con una presión total de 5 atm y a 760 ºC.

La velocidad de reacción específica para la formación del difenilo es de 3114 ft3/mol-lb·s y la

constante de equilibrio basada en concentraciones es de Kc = 0,3.

a

)

Calcule

la

conversión

de

equilibrio.

b)

Calcule el volumen de reactor necesario para alcanzar el 98 % de la conversión de

equilibrio de benceno:

b.1) Para un RFP con una alimentación de benceno de 10 mol-lb/min.

Temperatura (ºC) 45 55 65

-1

k semana 0,0061

0,0097

0,0185




b.2) Para un RCMC con la misma alimentación de 10 mol-lb/min.




19

D38- Un líquido A se descompone de acuerdo con una cinética de primer orden, efectuándose

la conversión del 50% de A en 5 minutos. Calcúlese el tiempo adicional necesario para que la

conversión

sea

del

75%.

D39- Repítase el problema anterior, si la cinética es de segundo orden.

D40- Una corriente de alimentación líquida (400 L min-1, 100 mol-mg de A L-1, 200 mol-mg

de B L-1) se convierte en producto en un reactor de flujo pistón mediante la reacción A+BR. La cinética de la reacción viene dada por: (-r A) = 200 CA CB mol-g L

-1 min

-1. Calculad el

volumen de reactor necesario para alcanzar una conversión del 99.9%.

D41- Un reactor continuo de mezcla completa de 2 L se alimenta con una disolución

conteniendo 1 mol-kg m-3 de un reactivo A. Reacciona según el esquema:

2A R. La

constante cinética tiene un valor de 180 L( mol-g)-1 h-1. Calculad cuántos moles-g s-1

de A, hay

que aportar en la alimentación para conseguir a la salida unos valores de concentración de A

inferiores a 50·10-3 mol-mg ml-1.

D42- En un reactor de flujo pistón de 7,5 m de longitud y 10 cm de diámetro interno, se lleva

a cabo la siguiente reacción a temperatura y presión constante (2 atm y 350 ºC):

C3H8

+

4

O2

4H2O

+

2CO

+

CO2

Por cada mol de propano, se alimentan 20 moles de aire.

Determínese el caudal máximo de alimentación en L h-1 (medidos en las condiciones

anteriores) para oxidar, al menos, 3/4 del propano alimentado.

Considérese la siguiente cinética:

(-r propano) = [500 L (mol-g min)-1

] C propano CO2

D43-

En

dos

tanques

agitados

de

40000

L

cada

uno,

conectados

en

serie,

se

han

de

tratar

100 Lh-1

de

un

fluido

radiactivo

que

tiene

una

vida

media

de

20

h.

Calcúlese

el

descenso

de

actividad radiactiva al paso de cada uno de los tanques. Se recuerda que el tiempo de vida

media es el tiempo necesario para que se reduzca a la mitad el número de núcleos radiactivos.

También se recuerda, que la evolución del número de núcleos radiactivos con el tiempo varía

según la ecuación: N=Noexp(-k t).

D44- Se desea aumentar la conversión en un reactor de flujo pistón del 60% al 80%, ajustando el caudal molar de una alimentación de 50% de A y 50% de inertes. ¿Cómo debe

hacerse esta modificación si la cinética de reacción es de primer orden?, ¿Y si la cinética es de

segundo

orden?

D45-

Una

corriente

con

un

reactivo

A,

de

concentración

4

mol-g

L-1,

alimenta

a

una




20

asociación de reactores formada por uno de mezcla completa al que le sigue uno de flujo

pistón; ambos son de igual volumen. Calculad la concentración de A a la salida del segundo

reactor si la concentración a la salida del primero es de 1 mol L-1. La reacción es de primer

orden.

D46- En un reactor de flujo pistón se lleva a cabo la reacción en fase gaseosa de

descomposición del ácido fórmico:

HCOOH(g) H2O (g) + CO (g)

El reactor opera isotérmicamente a 150 ºC y 1 atm de presión. La reacción sigue una cinética

de primer orden, siendo

k = 2,46 min-1.

a.- Determínese el tiempo espacial necesario para obtener una conversión del 60%.

b.-

Determínese

el

tiempo

medio

de

residencia.

D47- Una corriente de agua residual de 3 dm3 h-1, con un contenido de 5000 mg L-1

de ácido

tereftálico (peso molecular: 166,1 g mol-g-1), se trata mediante dos reactores biológicos de

mezcla completa trabajando en serie y en estado estacionario, a fin de reducir la concentración

de dicho ácido. El primer reactor tiene un volumen de 12 dm3. La concentración de ácido

tereftálico a la salida del segundo biorreactor es de 0,01 g L-1. La cinética de desaparición del

ácido

puede representarse por la siguiente ecuación:

(r A

)

0,24

C A 0,25

C A

¿Qué volumen ha de tener el segundo reactor?.

D48- Se desea llevar a cabo la reacción en fase acuosa:

A+B

R,

cuya ecuación cinética

es: (-r A) = kCACB en mol m-3

s-1

. A la temperatura del proceso, k = 0,0125 m3 mol

-1s

-1. La

reacción se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón en las siguientes condiciones: volumen

del reactor = 150 L; qo = 3 m3min

-1; CAo = CBo = 10 mol m

-3; densidad de la mezcla de reacción

= 1200 Kg m-3.

Calculad: a.- la conversión a la salida del reactor.

b.- el tamaño del reactor de mezcla completa necesario para alcanzar la misma

conversión que en el apartado anterior.

D49- Un reactivo A se transforma en P, siendo (-r A) función de CA, de acuerdo a los valores

que

apar

ecen en la tabla siguiente

-1

CA mol L 1

2

3

4

5

6

8

10

-1 -1

-r A mol L min 1,0

2,0

3,0

4,0

4,7

4,9

5,0

5,0




Calculad el caudal de alimentación necesario para convertir el 80 % de una alimentación de




21

CAo = 10 mol L-1

, en un reactor de mezcla completa y cuyo volumen es 250 L.

D50-

Se

desea

llevar

a

cabo

la

reacción

irreversible

en

fase

gaseosa

A

+

B

R

+

S,

cuya ecuación cinética es (-r A) = kCACB. El reactor que se va a utilizar es de tipo pistón con un

volumen de 100 L. Las condiciones de trabajo son: PT = 1 atm, T = 160 ºC, k = 250 L mol-g-1

min-1

. El caudal molar total de alimentación es F0 = 87 mol-g min-1

y dicha alimentación está

constituida por un 40 % de A y un 60 % de B.

a.- ¿Qué conversión se obtiene a la salida del reactor?

b.- ¿Cuántos reactores iguales y de volumen 100 L cada uno, funcionando en paralelo,

serían necesarios para alcanzar una conversión del 90%?. Considérese que la corriente de

alimentación se reparte por igual entre todos ellos.

D51-

En

presencia

de

agua

y

ácido

clorhídrico

(como

catalizador),

la

velocidad

de

esterificación, en mol-g L-1 min-1, del ácido acético y el alcohol etílico a 100ºC, viene dada por

r E = kCHCOH, siendo k = 4,76·10-4

L min-1

mol-g-1

, CH y COH las concentraciones de ácido y

etanol respectivamente. La velocidad de la reacción inversa (hidrólisis del éster), con la misma

concentración del catalizador, es: (-r E) = k'CECA, siendo k' = 1,63·10-4

L min-1

molg-1

, CE la

concentración de éster y CA la de agua.

Para una mezcla inicial formada por masas iguales de disolución acuosa de ácido

acético al 90 % y disolución de etanol al 95 %, ambos % en peso, y unas condiciones de

volumen constante, obtened una ecuación que relacione la conversión del ácido con el tiempo.

Asumiendo miscibilidad completa, calculad la conversión de equilibrio.

D52-

Una

reacción

de

primer

orden

en

fase

líquida

se

lleva

a

cabo

en

una

batería

de

10

reactores de mezcla perfecta en serie, con un volumen de 15 m3 cada uno. El caudal que se va

a tratar es de 125 L min-1 y k = 0,175 h-1.

a) Calcúlese la conversión a la salida de la batería.

b) Calcúlese la conversión obtenida en un reactor de flujo pistón de volumen igual al

total de la batería.

c) Calcúlese la conversión obtenida en un reactor de mezcla perfecta de volumen

igual al total de la batería.

D53- La reacción elemental irreversible en fase acuosa

A + B → R + S,

se lleva a cabo

isotérmicamente del siguiente modo: se introducen caudales iguales de dos corrientes líquidas

en un tanque de 4 L; una de las corrientes contiene 0,02 mol A L-1, y la otra 1,4 mol B L-1. La

mezcla pasa después a través de un reactor de flujo pistón de 16 L. Se ha encontrado que en el

tanque se forma algo de R, cuya concentración es 0,002 mol R L-1. Suponiendo que este

tanque actúa como un reactor de mezcla perfecta, calcular la concentración de R a la salida del

reactor de flujo pistón, así como la conversión de A en el sistema. Considérese la reacción de

pseudo-primer orden en A.

D54- Se tiene un reactor de mezcla completa trabajando con una conversión del 70%. La

concentración de la corriente de alimentación es de 10 mol de A/L. Si se pone, en serie, un

segundo reactor, igual al primero, ¿qué conversión final se obtendría?. Considérese la




min-1, calcule el tiempo necesario para consumir 19,0 moles de A.

2

El caudal de alimentación ha sido de 300 mol min-1.

22

siguiente ecuación cinética: (-r A)=k(CA)1.5

D55-

En

un

reactor

discontinuo

adiabático

se

lleva

a

cabo

una

reacción

irreversible

de

primer de orden en fase líquida. El coeficiente cinético es:

K=4.48*106exp(-15000/RT) s-1. Calcular el tiempo de reacción para alcanzar una conversión

del 80%.

Datos:

CAo = 3 M;

CRo = 0;

= 1,1 g mL-1

;

CP = 1,2 cal (g ºC)-1

;

To = 25 ºC;

VReactor = 18 L;

HR = -50000 cal mol-g-1

;

D56- Una mezcla de 0,5 mol de vapor de agua por cada mol de butadieno (A) se dimeriza en

un

reactor

tubular

a

640

ºC

y

1

atm

de

presión.

2A D

El coeficiente cinético de la reacción directa es k = 118 mol-g/(L h atm2) y la constante de

equilibrio es 1,27. Encuéntrese la longitud necesaria del reactor para conseguir una conversión

del

10%. El

diámetro

interno

del

reactor

ha

de

ser

de

10

cm y

el

caudal

molar

total

de

alimentación de 9 mol-kg/h.

Nota: dada la baja conversión que se pide, se puede despreciar la reacción inversa.

D57- Se utiliza un reactor discontinuo de mezcla completa y a volumen constante, para llevar

a cabo la reacción isotérmica en fase gaseosa siguiente: A P + R . El volumen del reactor es de 20 L. Inicialmente, se carga con 20 moles de A puro.

a.- Si la reacción fuera de primer orden, con cinética: (-r A) = kCA, siendo k = 0,865 min-1

,

calculad el tiempo necesario para que el número de moles de A en el reactor sea 0,2.

b.-

Por

el

contrario,

si

la

reacción

fuera

de

segundo

orden:

r A

k

C A

,

siendo

k

=

2

Lmol-

1

c.- Si la temperatura es de 127ºC, calcule la presión total inicial. Asimismo, calcule la presión

total final cuando se haya consumido todo el reactivo.

D58-

La

reacción

exotérmica,

A

P + Q,

se ha llevado a cabo de forma adiabática,

obteniéndose los siguientes resultados para experimentos en modo continuo de trabajo:

a.- ¿Qué volúmenes de reactores de flujo pistón y de mezcla completa son necesarios para

X, (conversión)

0

0.2

0.4

0.5

0.6

0.8

0.9

-3 -1

(-r A), (mol dm

min

)

10

10.67

50

50

50

12.5

9.09




obtener una conversión del 40%?

b.- Discuta la eficacia de ambos tipos de reactores, en función de la conversión a la que se

desee trabajar, para llevar a cabo esta reacción. ¿Existen algunas condiciones en las que sea




23

indiferente la elección entre un tipo de reactor u otro?

D59-

La

reacción

A

R,

se

efectúa

isotérmicamente

en

un

reactor

de

flujo

continuo. Calcule los volúmenes de reactor, tanto de mezcla completa como de flujo pistón, necesarios

para consumir el 99 % de A, si la velocidad molar de la alimentación es de 5 mol h-1 y el

caudal volumétrico de 10 dm3 h-1. Efectúe los cálculos para los distintos casos, suponiendo

que la cinética de la reacción responde a la constante de velocidad siguiente:

a)

k = 0,05 mol h-1 dm-3

b) k = 0,0001 s-1

c)

k = 3dm3 mol-1 h-

D60-

La

reacción

elemental

e

irreversible

2A

P,

se

efectúa

en

fase

gaseosa

isotérmicamente en un reactor de flujo pistón. El reactivo A y un diluyente D, se alimentan en

una proporción equimolar, siendo la conversión de A de un 80 %. Si se reduce a la mitad la

velocidad de alimentación molar de A, ¿cómo cambiará la conversión, si no se modifica la

velocidad de alimentación de D?

D61-

El

anhídrido

ftálico

se

obtiene

por

oxidación

catalítica

del

naftaleno

(véase

figura

adjunta) en reactores de lecho fijo con pentóxido de vanadio como catalizador. De este modo,

por ejemplo, en Estados Unidos, en 1995 se obtuvieron 31.000 Tm de anhídrido.

Si

se

emplea

un

reactor

de

flujo,

en

condiciones

isotérmicas,

con

una

alimentación

gaseosa constituida por un 3.5% de naftaleno y un 96.5% de aire (porcentajes en volumen) y

trabajando a P=10 atm y T=500 K. Determine lo siguiente en función de la conversión de

naftaleno:

a.- Las presiones parciales de oxígeno y de dióxido de carbono.

b.- Las concentraciones de oxígeno y naftaleno.

c.- El caudal volumétrico para la producción anual antes indicada.




24

D62-

En

dos

reactores

de

mezcla

completa,

de

igual

volumen

y

colocados

en

serie,

se

desea llevar

a

cabo

la

reacción

de

pirólisis

por

la

que

se

deshidrogena

etano

convirtiéndose

en

etileno.

La alimentación al primer reactor es una corriente de 200 mol-g s-1 de etano puro. La

presión de trabajo es de 6 atm y la temperatura de 1000 K. El volumen de cada reactor es de

3000 L. A la temperatura dada, el coeficiente cinético de la reacción vale 0.072 s-1 y la energía

de activación es de 82.000 cal mol-g-1.

¿A qué temperatura deberá trabajar el segundo reactor, si se desea que la velocidad de la

reacción en dicho reactor sea igual a la existente en el primer reactor?

D63.-

Sean

dos

reactores

de

volumen

500

L,

uno

de

mezcla

completa

y

otro

de

flujo

pistón.

La

reacción A

P, es irreversible e isotérmica, respondiendo su cinética a la ecuación (-r A) =

kCA2

y siendo k = 17,4 cm3/mol-g min. La alimentación es de 447,78 L/h y con una

concentración de 0,00175 mol-g/cm3. Se pueden asociar estos reactores de las formas:

a) En serie, un RMC seguido de un RFP

b) En serie, un RFP seguido de un RMC

c) En paralelo, un RMC

y un RFP, alimentando la mitad del flujo de entrada a cada reactor y

combinando después los flujos de salida.

Diga qué sistema dará la conversión total más alta.

D64.- Tenemos una reacción en la que un reactivo se transforma en un producto con una

velocidad de reacción dada por la ecuación (-r A) = kCA , siendo k = 0,20 min-1

.

a) Calcúlese el volumen de un RMC y el necesario para reducir la concentración inicial de A

un 99 %, trabajándose con un caudal constante de 0,2 dm3/s.

b) ¿Qué porcentaje de la concentración inicial quedaría al cabo de 0,25 h, si se trabaja con un

RD?

D65.- La reacción homogénea en fase gaseosa

A 3R,

se ajusta a una cinética de

segundo orden. Para un caudal de alimentación de 4 m3 h-1

de A puro, a 5 atm y 350 ºC, se

obtiene una conversión del 60 % de la alimentación en un reactor experimental constituido

por

un

tubo

de

2,5

cm

de

diámetro

y

2

m

de

longitud.

En

una

instalación

comercial

se

han

de

tratar 320 m3 h-1

de una alimentación constituida por 50 % de A y 50 % de inertes, a 25 atm y

350 ºC para obtener una conversión del 80 %.

a) ¿Cuántos tubos, de 2,5 cm de diámetro y 2 m de longitud, se necesitan?

b) ¿Deben situarse en serie o en paralelo?

Supóngase flujo en pistón, despréciese la pérdida de presión y admítase que el gas presenta

comportamiento ideal.

D66.- Se han obtenido los datos de la tabla adjunta en la descomposición del reactivo A en

fase gaseosa, en un reactor discontinuo de volumen constante a 100 ºC.

La

estequiometría

de

la

reacción

es

2A

R

+

S.

Calcúlese

el

tamaño

del

reactor

de flujo en pistón para que, operando a 100 ºC y 1 atm, pueda tratar 100 moles de A por hora

de una alimentación que contiene 20 % de inertes, para obtener una conversión del 95 % de A.




25

t(s)

pA(atm)

t(s)

pA(atm)

0

1,00

140

0,25

20

0,80

200

0,14

40

0,68

260

0,08 60

0,56

330

0,04

80

0,45

420

0,02

100

0,37

D67.- Para efectuar una reacción en fase gaseosa, cuya estequiometría es 2A R + S, se

emplea un tanque de 208 litros que puede considerarse como un reactor de mezcla completa. Calcúlese la conversión de A que puede alcanzarse, para que, operando a 100 ºC y 1 atm,

pueda tratar 200 mol A h-1 de una alimentación que contiene el 20 % de inertes.

Previamente se han obtenido los datos de la tabla adjunta, en la descomposición del

reactivo

A

en

un

reactor

discontinuo

de

volumen

constante

y

a

100

ºC.

t(s)

pA(atm)

t(s)

pA(atm)

0 1,00 140 0,25

20

0,80

200

0,14

40 0,68 260 0,08

60

0,56

330

0,04

80

0,45

420

0,02

100

0,37

k1

D68.- A 600 K, la reacción en fase gaseosa

C2H4 + Br 2 C2H4Br 2 , tiene de

k2

coeficientes cinéticos k 1 = 500 L mol-1

h-1

y k 2 = 0,032 h-1

.

Si un reactor de flujo en pistón se alimenta con 600 m3 h-1

de un gas que contiene 60 %

de Br 2, 30 % C2H4 y 10 % de inertes en volumen, a 600 K y 1,5 atm, calcúlese:

a) La conversión máxima posible de C2H4 en C2H4Br 2; b) El volumen de reactor necesario para obtener el 60 % de esta conversión máxima.

D69.- En un reactor de mezcla completa de 1 L de volumen entran dos corrientes de

alimentación gaseosa: una contiene el componente A (CAo = 0,01 mol L-1

) y su caudal es de 1

L min-1

; la otra contiene el componente B (CBo = 0,02 mol L-1

) y su caudal es de 3 L min-1

. En

la reacción se forman una serie de productos R, S, T, ... El caudal de salida es de 6 L min-1 y el

análisis de esta corriente muestra que CAf = 0,0005 mol L-1

y CRf = 0,001 mol L-1

. Todos los

caudales están medidos a la temperatura y presión constantes del reactor. Calcúlese la

velocidad de reacción de A y la velocidad de formación de R.

D70.-

La

reacción

en

fase

gaseosa

2A

→

P

+

Q

tiene

lugar

en

un reactor discontinuo

de

volumen constante y a una temperatura de 373 K, obteniéndose los datos de la siguiente tabla:

t(s)

pA(atm)

t(s)

pA(atm)




2

26

0

1,00

140

0,25

20

0,80

200

0,14

40

0,68

260

0,08

60

0,56

330

0,04 80

0,45

420

0,02

100

0,37

Si la reacción anterior se llevara a cabo en un reactor continuo de flujo pistón, calcúlese el

caudal molar del compuesto P que se obtendría si:

el reactor tuviera un volumen de 300 L

operara a 100 ºC y 1 atm

tratara un determinado caudal de alimentación, con un contenido de un 20 % en

volumen de inertes

alcanzara una conversión del 90 %.

D71.- En un reactor de mezcla completa, tiene lugar la reacción en fase líquida homogénea

A

→

R,

de

cinética

(r A

)

k ·C A y

con

una

conversión

del

50

%.

Calcúlese

la

conversión:

a) si el reactor se sustituye por otro seis veces mayor, sin modificar las demás condiciones. b)

si se sustituye el reactor primitivo por otro de flujo en pistón de igual tamaño, sin modificar

las demás condiciones.

D72.- En un reactor de flujo pistón se está efectuando la reacción elemental en fase líquida

A

+

B

→

2R

+

S.

Se

obtiene

una

conversión

del

96

%

con

una

CAo

=

CBo

=

1

mol/litro.

Indíquese en que proporción aumentaría la producción si, a continuación del citado reactor, se

añadiera en serie, un reactor de mezcla completa 10 veces mayor que el de flujo pistón. La

conversión total a alcanzar con este sistema sería la misma que en el caso de un reactor único.




27

D73.- En un reactor de mezcla completa (de volumen Vm) se está efectuando la reacción

elemental en fase líquida A + B → 2P + Q . Se emplean cantidades equimolares de A y de

B (CAo = CBo = 1 mol/litro). La conversión obtenida es del 90 %.

Por

otro

lado,

se

dispone

de

un

reactor

de

flujo

pistón,

de

volumen

V p=

0.5

·

Vm.

Se

está considerando la posibilidad de utilizar conjuntamente ambos reactores (en serie). Indíquese en

qué proporción aumentaría la producción de la asociación de ambos reactores, respecto al caso

inicial, cuando:

a.- la asociación consiste en el reactor de mezcla completa seguido del de flujo pistón.

b.- Al contrario que en el apartado a.

D74.- La reacción homogénea en fase gaseosa A 2B se efectúa a 100 ºC y a la presión

constante de 1 atm. En un reactor discontinuo, partiendo de A puro, se obtuvieron los datos

de

la

tabla

adjunta:

Por otro lado, para llevar a cabo la reacción anterior, se desea utilizar un reactor de

flujo

pistón que trate una corriente de alimentación de 10 mol s-1 y en la que existe un 40% de

inertes. Este reactor trabajaría a 100 ºC y 10 atm. Si se ha de obtener una conversión final del 90% de A, ¿qué volumen deberá tener este reactor?

D75.- El óxido nítrico se produce por oxidación del amoniaco en fase gaseosa.

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O

La alimentación a un reactor consiste en una mezcla del 15 % en volumen de amoniaco en aire

a

8,2

atm

y

227

ºC.

a)

Calcule

la

concentración

de

cada

una

de

las

especies

químicas

presentes

en

la

alimentación.

b) ¿Qué cantidad de alimentación sería necesaria para alcanzar una producción de 600 kg

Tiempo

(min)

V/Vo

Tiempo

(min)

V/Vo

0

1,00

8

1,82

1 1,20 9 1,86

2

1,35

10

1,88

3

1,48

11

1,91

4

1,58

12

1,92

5

1,66

13

1,94

6

1,72

14

1,95

7

1,78




de NO si se trabaja con una conversión del 50 %?

D76.- La reacción en fase gaseosa, 2A + 4B 2C, que es de primer orden en A y de primer

orden en B, se efectuará isotérmicamente en un reactor de flujo pistón de volumen 2,30 dm3.

El flujo volumétrico de alimentación es de 2,5 dm3/min, siendo equimolar en A y en B. La

temperatura

y

presión

en

la

entrada

son

de

727

ºC

y

10

atm

respectivamente.

La

velocidad

de

reacción específica a esta temperatura, es de 4 dm3/mol-g·min y la energía de activación es de

15000 cal/mol-g.

a) Calcule el flujo volumétrico cuando la conversión de A es del 25 %.




28

b)

Calcule la velocidad de reacción en la entrada del reactor (cuando X=0).

c) Calcule la velocidad de reacción cuando la conversión de A es del 40 %.

d)

Calcule

la

concentración

de

A

cuando

la

conversión

de

A

es

del

40

%.

e) ¿Qué valor tiene la velocidad de reacción específica a 1227 ºC.

problemas reacciones cataliticas

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