Ejercicios Cinetica de Reactores FPA 2015

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA-EIDENAR ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL FUNDAMENTOS DE PROCESOS AMBIENTALES 2014 TALLER DE REPASO PARCIAL 1: Reactores

1) En el proceso de desinfección de agua potable es necesario dejar una cantidad de cloro residual para asegurar que se mantenga un efecto potencial de desinfección cuando el  agua abandone la planta de tratamiento y se envíe a las casas a través de las redes de suministro. Sin embargo, diferentes estudios indican que dicho cloro puede reaccionar con compuestos orgánicos  generando subproductos  que son considerados tóxicos a  la  salud humana. En investigaciones preliminares se ha establecido que una de las reacciones que probablemente ocurre es la formación de tricloroacetaldehido, el cual es formado a partir de la reacción entre el cloro residual y el acetaldehído (AcA), acorde con la siguiente reacción:

a) Escriba las expresiones de velocidad asumiendo que la reacción puede considerarse  elemental.  Determine el orden de la reacción y como se relacionan las constantes de  velocidad de cada una de las especies involucrada. b) Suponga que se realizaron experimentos de laboratorio para establecer  la cinética de  reacción, obteniéndose los siguientes datos de concentración de cloro residual ( no  combinado con los productos de la cloración del acetaldehído)  versus tiempo: Tiempo (h) Conc. Cl 2 residual  (mg/L)

0.1 3.6

13 3.3

29 2.7

59 2.4

72 2.1

        Establezca el orden de la reacción y calcule la constante de velocidad utilizando los datos experimentales. Escriba la expresión de velocidad. c) Compare la eficiencia de eliminación de cloro residual obtenida en reactores batch,  RCMFC, RFP y 4 RCMFC en serie, si el caudal del agua que entra a estos reactores es  10 L/s y el volumen total del reactor es  200 m 3.  2) Con el propósito de establecer la cinética de biodegradación de una sustancia A presente en un agua residual se realizó un ensayo experimental a una temperatura de 15 ºC obteniendo los siguientes resultados: TIEMPO (Minutos) 0 1 2 4 7 10 20 40 70

A (mol/L) 89,8 83 74 58 44 32 12,5 2 0,06

100

0,0045

Suponga que a partir de estos datos un ingeniero desea proyectar un sistema de tratamiento de aguas residuales para eliminar la sustancia A con una eficiencia del 99%. Asuma que el agua se mantendrá a la temperatura ambiente de la ciudad que es 30 0C. Inicialmente en su diseño el ingeniero considera la construcción de un reactor relativamente largo y angosto, por lo cual asume para sus cálculos las ecuaciones relacionadas con un reactor flujo pistón. Sin embargo, en el momento de la construcción alguien decide colocar mezcladores potentes situados a intervalos a lo largo del reactor, por lo tanto las condiciones de mezclado reales son las de un reactor de tanque completamente mezclado. Al suponer condiciones de flujo pistón, ¿Qué error al calcular el volumen necesario del reactor tendrá el ingeniero, si el caudal de alimentación es de 1.000 ft 3/h?, ¿Cuál será la eficiencia real suponiendo las condiciones de RCM?. 3) Usted está diseñando un reactor que utiliza cloro en RFP o un RFCM con el fin de destruir los organismos patógenos del agua. Se necesita un tiempo mínimo de contacto de 30 minutos a fin de reducir la concentración de patógenos de 100 patógenos L –1 a menos de 1 patógeno L–1 mediante el proceso de decaimiento de primer orden. Usted plantea tratar agua a un gasto de 1000 gal min–1. a) ¿Cuál es la constante de decaimiento de primer orden? b) ¿Cuál es la capacidad mínima (en galones) del reactor que se requiere para un reactor a flujo pistón? c) ¿Qué capacidad (en galones) en RFCM es requerida para alcanzar la misma concentración de salida? d) ¿Qué tipo de reactor seleccionaría usted si el objetivo de su tratamiento establece que “ninguna descarga puede contener más de 1 patógeno L –1”? (Explique su razonamiento) e) Si el cloro residual que se desea en el agua tratada después de que abandona el reactor es de 0.20 mg L–1, y la demanda de cloro utilizada durante el tratamiento es 0.15 mg L –1, ¿cuál debe ser la masa diaria máxima de cloro que se agrega al reactor en gramos? 4) Se usa un estanque para diluir las aguas residuales municipales antes de ser descargadas en un río. El cauce de entrada del estanque tiene una velocidad de flujo de Q = 4000 m 3/día y una concentración de DBO de C entrante = 25 mg/L. El volumen del estanque es de 20000 m 3. El propósito de usar el estanque es dar tiempo para el decaimiento del DBO antes de descargarlo en el medio ambiente. La velocidad de decaimiento de primer orden del DBO es igual a 0,25/día. ¿Cuál es la concentración de DBO a la salida del estanque, en unidades de mg/L? 5) Un compuesto orgánico A es convertido químicamente a un compuesto B, de acuerdo a la siguiente reacción: A2B. Se ha descubierto que el compuesto A puede ser biodegradado bajo una cinética de primer orden en una planta de tratamiento biológico. Estudios de laboratorio indican que la constante de velocidad a 20ºC tiene un valor de K=0.33 d-1 y que el coeficiente de temperatura  es 1.024. La planta de tratamiento va a ubicarse en la ciudad de Popayan, con capacidad de 800 L/h y la concentración de la sustancia biodegradable en el afluente es 150 Kgmol/L. La temperatura promedio de esta ciudad es de 18 oC.

Para las siguientes alternativas propuestas calcular la concentración del compuesto A en el efluente de cada uno de los sistemas propuestos e igualmente calcular, la producción diaria del compuesto B en Kg- mol/día. Comente sus resultados. A. B. C.

D. E.

Emplear un reactor completamente mezclado RCM, con un volumen de 200 m3 Emplear un reactor en flujo pistón RFP con un volumen de 200m3. Emplear dos reactores en serie completamente mezclados cada uno con un volumen de 100m3 Emplear dos reactores en serie flujo pistón cada uno con un volumen de 100 m3 Cuantos reactores batch colocados en serie de volumen de 40 m3 se deben usar si se quiere obtener la misma remoción que en el caso del reactor completamente mezclado asuma que el tiempo de alistamiento de los reactores entre limpieza y descarga es 4 horas.

6) A partir de estudios cinéticos de la desinfección de un agua residual, los cuales fueron realizados en un reactor batch que se mantuvo a una temperatura constante de 15 o C, se obtuvieron los datos que se muestran en la figura adjunta:

Supóngase que a partir de esta información se desea diseñar un reactor de desinfección que debe tratar una concentración de 1x 105 UFC/ml y un caudal de 6000 L/min de agua residual, el cual debe operar a una temperatura de 23 o C. Uno de los criterios del diseño exige que cualquier tipo de reactor que se seleccione en todos los casos debe asegurar que el agua residual tenga un tiempo teórico de residencia de 0.1 hora. Asumiendo que Θ=1.024 calcule: a. La eficiencia obtenida si el reactor seleccionado es completamente mezclado b. La eficiencia obtenida si el reactor seleccionado es de flujo pistón. Por favor explique las diferencias obtenidas entre uno y otro reactor basados en los conceptos teóricos que rigen estos reactores ideales. 7) En un arroyo se descargan aguas residuales tratadas de manera deficiente. La velocidad del cauce del río corriente arriba del punto de descarga es Q u = 8,7 m3/s. La descarga ocurre a Qd = 0,9 m3/s y tiene una concentración DBO de 50,0 mg/L. Suponga que la DBO corriente arriba es despreciable. a) ¿Cuál es la concentración DBO corriente abajo justo a partir del punto de descarga? b) Si el arroyo tiene un área perpendicular de 10 m 2, ¿cuál es la concentración DBO 50 km corriente abajo? Si se elimina la DBO a una velocidad de decaimiento de primer orden igual a 0,20/día.

8) Un desecho producido a una tasa de 50 m 3/d va a ser tratado en un reactor batch. El proceso de conversión o biodegradación del desecho sigue una cinética de primer orden y la velocidad de reacción r = -kC, con k = 3.5 día -1. Un período de cuatro horas es requerido para sacar el desecho tratado al final del tiempo de reacción y llenar el reactor batch con el nuevo desecho a tratar. a)

Si solo se dispone de reactores batch de 25 m 3, determine el número de reactores requerido para reducir la concentración del desecho a un 10% de su concentración inicial. b) Si solo se dispone de un solo tanque de 25 m 3, ¿Cuál es la eficiencia que se alcanza a obtener? 9) Un reactor de 1.0 x 106 galones se emplea en una planta de tratamiento de aguas residuales. La concentración de DBO del afluente es 100 mg/L. El caudal de aguas residuales del reactor es 500 gal/min y el efluente tiene una concentración de 25 mg/L a) ¿Cuál es la constante de velocidad de primer orden para el decaimiento de la DBO en el reactor? Suponga, que el reactor puede modelarse como un RFCM. Exprese sus respuestas en unidades de h-1. b) Suponga que el reactor debe modelarse como un RFP con decaimiento de primer orden, no como un RFCM. En este caso, ¿Cuál debe ser la constante de velocidad de decaimiento de orden dentro del RFP? c) Se ha determinado que la concentración de salida es demasiado alta, y que como resultado, el tiempo de residencia en el reactor debe duplicarse. Suponiendo que todas las otras variables permanecen constantes, ¿Cuál debe ser el volumen del nuevo RFCM? 10) Tres reactores de mezcla completa conectados en serie serán utilizados para medir la concentración de un constituyente biodegradable bajo condiciones de estado estable (suponga degradación de primer orden). A partir de la información proporcionada en la siguiente tabla (elija una columna), determine el volumen requerido para cada uno de los reactores (suponga reactores de igual tamaño)