Guía de Ejercicios Reactores Heterogeneos

 

111Equation Chapter 1 Section 1Guía de ejercicios Reactores Heterogéneos

1.- En un reactor de lecho empacado se lleva a cabo la reacción en fase gaseosa A→R a 10 atm y 336 °C y da una conversión del 90% de A puro alimentado. Sin embargo, el vendedor del catalizador garantiza que en ausencia de cualquier resistencia a la difusión en -6

3

eff 

cat los poros, dada la reacción velocidad por: procederá con su nuevo catalizador (D  = 2x10   m /m  s) a una

 mol   3  mcat s 

r A'''  0,88  c A 

212\* MERGEFORMAT (.)

Que es mucho mejor que la que se tiene ahora. El catalizador es bastante caro, ya que consiste en material biopolimérico y se vende por peso. No obstante se desea probarlo la siguiente vez que se reemplace el catalizador, ¿qué diámetro debe tener el catailizador que debe comprarse?

2.- Un reactor de lecho empacado convierte A en R por medio de una reacción catalítica de  primer orden, A→R. Con pastillas de 9 mm (suponer partículas esféricas), el reactor opera en el régimen de fuerte resistencia a la difusión en los poros y da un 63,2% de conversión. Si estas pastillas pastillas se reemplazan por otras de 18 mm (para reducir la caída de presión presión en el lecho), ¿cómo afectará esto a la conversión? Resp: XA = 0,393

3.- En un reactor experimental de tanque agitado con 10 g de partículas esféricas de catalizador de 1,2 mm y una alimentación de 4 cm3/s de A puro a 1 atm y 336 °C se obtiene una conversión de 80% para la reacción de primer orden:  A   R 

H r   0 313\* MERGEFORMAT (.)

Se quiere quiere diseñar diseñar un reacto reactorr de tamaño tamaño comerc comercial ial para para tratar tratar grandes grandes cantidade cantidadess de alimentación con una conversión de 80% a la temperatura y presión anteriores. Se debe eleigir entre un lecho fluidizado de partículas de 1 mm (suponer tanque agitado para gas) y un lecho empacado de partículas de 1,5 cm ¿Qué reactor debe elegirse para minimizar la cantidad de catalizador necesario?¿Qué ventaja tendrá la elección? Datos: ρS = 2000 kg/m 3; De = 1x10-6  m3/mcat  s. Resp: Para reactor de lecho fijo = 4500 kg/m 3 s; Para reactor de lecho fluidizado = 2500 kg/m3 s

4.- (18.34) En una solución acuosa y en contacto con el catalizador adecuado, el reactivo A se convierte en el producto R por medio de la reacción elemental A→2R. Encontrar la cantidad canti dad de catalizador catalizador necesaria necesaria en un reactor reactor de lecho empacado empacado para una conversión de

 

90% de 1x104 mol de A/h de una alimentación c A0 = 1x103 mol/m3. Para esta reacción a) = 8x10-4 m3/m3lecho s; b)

''''

k 

''''

k 

= 2 m3/m3lecho s.

Datos: Diámetro de las pastillas de catalizador poroso = 6 mm; D eff   = 4x10-8  m3/mcat  s; Fracción vacía en el lecho empacado = 0,5; densidad global del lecho empacado = 2000 kg/m3 de lecho. Resp letra b): 64 kg.

  5.- En un reactor experimental de d e lecho empacado se obtienen los siguientes datos cinéticos  para la reacción A→R, utilizando distintas cantidades de catalizador y un flujo de alimentación fijo de F A0 = 10 kmol/h: W, kg cat XA

1

2

3

0,12 0,20 0,2 7

4

5

6

0,33 0,37 0,4 1

7 0,44

a) Calc Calcul ular ar la ve velo loci cida dad d de re reac acci ción ón pa para ra una conver conversi sión ón de dell 40 40%. %. (Res (Resp: p: 0,36 kmol/kgcat h)  b) Calcular la cantidad de catalizador necesario para alcanzar una conversión de 40% en un reactor grande de lecho empacado, con flujo de alimentación F A0  = 400 kmol/h. (Resp: 230 kg) c) ¿Cuánto ¿Cuánto catalizador catalizador se necesit necesitaría aría en el inciso inciso b) si el reactor reactor empleara empleara una una recirculación muy elevada de la corriente de producto? (Resp: 444 kg)

6.- Un gas que contiene A (2 mol/m 3) se alimenta (1 m 3/h) a un reactor de flujo pistón con recirculación (volumen del circuito de recirculación 0,02 m 3, 3 kg catalizador) y se mide la composición de salida del sistema de reacción (0,5 mol A/m 3). Encontrar la ecuación de velocidad para la descomposición de A cuando se tiene una recirculación muy grande, con n = 1, alimentación con 50% de inertes y 50 % de A y una reacción A→3R. Asegurarse de las unidades de r  A’ , c A y k’  en  en la expresión final.

7.- El reactivo gaseoso A reacciona (A→R) en un reactor experimental de tanque agitado, con una concentración de entrada de c A0 = 10 mol/m 3 y W = 4 kgcat. Hallar una ecuación cinética que represente la reacción a partir de los siguientes datos de conversión para varias condiciones:

8.- Los siguientes datos cinéticos se obtienen en un reactor experimental tipo cesta de Carb Ca rber erry ry,, util utiliz izan ando do 10 100 0 g de ca cata tali lizad zador or en la lass as aspa pass y ca caud udal ales es di dife fere rent ntes es de un

 

experimento a otro. La reacción es del tipo A→R y una concentración inicial de c A = 10 mol/m3.  F  A0, mol/min

0,14 0,4 1,67 2,5 1,25 2 3 cA, mol/m 8 6 4 2 1 a.- Determine la cantidad de catalizador necesario en un reactor de lecho empacado para una conversión de 75% de 1000 mol A/min de una alimentación con c A0 = 8 mol/m3. (Resp = 519 kg)  b.- Determine W  para  para un reactor de mezcla completa con  X  A = 0,9, c A0 = 10 mol/m 3 y F   y  F  A0 = 1000 mol/min.

9.- Calcular la cantidad de catalizador necesario en un reactor de lecho empacado para una conversión de 80% de una corriente gaseosa de A puro de 1000 m 3/h con cA0 = 100 mol/m 3, si la estequiometría está dada por A→R y la velocidad de reacción está dada por: r  A' 

 mol   

50c A



 

1 0, 0 2c A  kg h 

414\* MERGEFORMAT (.)

  10.- Se alimenta una mezcla gaseosa de A y B (Q ( Q gas = 10 m3/h) a un reactor experimental empacado con catalizador (W = 4 kg). La reacción ocurre del siguiente modo:

 A  B   R  S 

515\* MERGEFORMAT (.)

   mol  r A'  0, 6  cA  c B    kg h 

616\* MERGEFORMAT (.)

Calcular la conversión de los reactivos si la alimentación contiene c A0 = 0,1 mol/m 3 y cB0 = 3

10 mol/m .

12.- En un reactor reactor de tanque agitado agitado tipo cesta de 960 cm 3 de volumen y que contiene 1 g de catalizador de diámetro d p = 3 mm, se efectúan experimentos con la reacción catalizada  por sólidos, A→3R a 8 atm de presión y 700 °C de temperatura. La alimentación, que consiste en el componente A puro, se introduce a distintos flujos en el reactor y se mide la  presión parcial de A en la corriente de salida para cada flujo de alimentación. Los resultados son: Fluj Flujo od dee al alim imen enta taci ción ón,, L/h L/h 10 0

22

 p A,out / p A,in

0,5 0,2 0,1 0,05

0,8

4

1

0,6

 

Encontrar una ecuación cinética que represente la velocidad de reacción con un catalizador  de este tamaño. (Resp:

r A'  10  c A

)