Ejercicios Balances de moles (Cap. 1 Fogler, 4 Edicion)

ESCUELA POLITCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y AGROINDUSTRIACARRERA DE INGENIERA QUMICAINGENIERA DE LA REACCIN IDeber No. 2EJERCICIOS DE BALANCES DE MOLESCAPTULO 1Profesor:Ing. Marcelo AlbujaAlumno/a:Srta. Gabriela RuizFecha de entrega:Mircoles, 16 de marzo de 2011Semestre: Marzo Agosto 2011

Balances de moles Ejemplo 1 1: Qu tamao tiene?La reaccin de primer orden: A B se efecta en un reactor tubular en el que la velocidad de flujo volumtrico, , es constante. Deduzca una ecuacin que relacione el volumen de reactor con las concentraciones de entrada y de salida de A, la constante de velocidad y la velocidad de flujo volumtrico . Determine el volumen de reactor necesario para reducir la concentracin de salida al 10% de la concentracin de entrada cuando la velocidad de flujo volumtrico es de 10 (o sea, ) y la constante de velocidad de reaccin especfica, , es de 0,23 .Datos: Como la reaccin es de primer orden, se cumple que:

Por otro lado, la ecuacin diferencial de diseo para un reactor PFR es:

Ejercicio Calcular el volumen de un CSTR para las condiciones que se usaron en el clculo del volumen del reactor de flujo tapn en el ejemplo 1 1. Qu volumen es mayor, el PFR o el CSTR? Para un reactor CSTR la ecuacin de diseo es:

El volumen necesario para que se lleve a cabo la reaccin a las condiciones indicadas es cuatro veces mayor para el reactor CSTR. Ejercicio Calcular el tiempo que tomara reducir el nmero de moles de A a un 1% de su valor inicial en un reactor por lotes de volumen constante, para la reaccin y datos del ejemplo 1 1.Datos: Sea la reaccin: , la ecuacin diferencial de diseo para un reactor batch es:

Ejercicio Qu supuestos se hicieron al deducir la ecuacin de diseo para los siguientes reactores?:a) Reactor por lotesPara hallar la ecuacin de diseo del reactor por lotes se hicieron las siguientes consideraciones: Sistema cerrado, es decir, ningn flujo de masa entra ni sale del reactor. No hay variacin espacial de las propiedades del sistema.b) Reactor CSTRPara hallar la ecuacin de diseo del reactor CSTR se hicieron las siguientes consideraciones: Condiciones de estado estacionario. No hay variacin espacial de la concentracin, la temperatura y de la velocidad de reaccin a lo largo del recipiente.c) Rector de flujo tapn (PFR)Para hallar la ecuacin de diseo del reactor PFR se hicieron las consideraciones que se indican a continuacin: Condiciones de estado estacionario. No hay variacin radial de las propiedades del sistema.d) Rector de lecho empacado (PBR)Para hallar la ecuacin de diseo del reactor PBR se hicieron las consideraciones que se indican a continuacin: Condiciones de estado estacionario. No hay variacin radial de las propiedades del sistema.e) Explique con palabras el significado de , y . La velocidad de reaccin es una cantidad extensiva? Explique corresponde a la velocidad de desaparicin o de consumo de la especie A por unidad de volumen, y representa el nmero de moles de A que reaccionan o desaparecen por unidad de tiempo y por unidad de volumen. corresponde a la velocidad de desaparicin o de consumo de la especie A por unidad de masa de catalizador, y representa el nmero de moles de A que reaccionan o desaparecen por unidad de tiempo y por unidad de masa (o de rea) de catalizador. es la velocidad de formacin de la especie A por unidad de masa de catalizador, y representa el nmero de moles de A que se forman durante la reaccin qumica por unidad de tiempo y por unidad de masa (o de rea) de catalizador.La velocidad de reaccin es una cantidad intensiva, ya que es funcin de la concentracin, de la temperatura, de la presin y del tipo de catalizador (si se lo utiliza en el sistema), y est definida para cada uno de los puntos del sistema dentro del reactor. Una cantidad extensiva es aquella propiedad cuyo valor se obtiene sumando el valor de las propiedades del sistema en cada punto, considerado como subsistema dentro del sistema total. En este sentido, la velocidad de reaccin es independiente de la extensin del sistema, y por lo tanto es una propiedad intensiva.

2 Ejercicio La reaccin A B se efectuar isotrmicamente en un reactor de flujo continuo. Calcule los volmenes de reactores, tanto de CSTR como de PFR, necesarios para consumir el 99% de A (es decir, ), si la velocidad de flujo molar que entra es de 5 mol/h, suponiendo que la velocidad de reaccin es:a) con b) con c) con La velocidad de flujo volumtrico de entrada es de 10.Datos:

Si la velocidad de flujo volumtrico es constante, se cumple que:

Entonces:

Tambin se cumple que:

a) con REACTOR CSTRPara un reactor CSTR la ecuacin de diseo es:

La ecuacin diferencial de diseo para un reactor PFR es:

b) con REACTOR CSTRPara un reactor CSTR la ecuacin de diseo es:

La ecuacin diferencial de diseo para un reactor PFR es:

c) con REACTOR CSTRPara un reactor CSTR la ecuacin de diseo es:

La ecuacin diferencial de diseo para un reactor PFR es:

d) Repita los literales (a), (b) y (c) para calcular el tiempo necesario para consumir 99,9% de las especias A en reactor por lotes de volumen constante de con .Datos: a) con La ecuacin diferencial de diseo para un reactor batch es:

b) con

c) con

Ejercicio a) Inicialmente hay 500 conejos () y 200 zorros () en los terrenos del granjero Olaf. Use POLYMATH o MATLAB para graficar la concentracin de zorros y conejos en funcin del tiempo en un perodo de hasta 500 das. Las relaciones depredador presa estn dadas por el siguiente conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas:

Constante para el crecimiento de la poblacin de conejos: Constante para la muerte de conejos: Constante para el crecimiento de la poblacin de zorros despus de comer conejos: Constante para la muerte de zorros: Qu resultados obtiene para el caso de y ? Grafique tambin el nmero de zorros contra el nmero de conejos. Explique por qu las curvas tienen el aspecto que tienen.Vare los parmetros , , y . Explique cules parmetros pueden o no ser ms grandes que otros. Escriba un prrafo que describa sus hallazgos.b) Use POLYMATH o MATLAB para resolver el siguiente conjunto de ecuaciones algebraicas no lineales:

Con conjeturas iniciales , . Trate de familiarizarse con las teclas de edicin de POLYMATH y MATLAB.

Ejercicio Remitindose al material del texto y las referencias adicionales para reactores comerciales que se dan al final del captulo, llene la siguiente tabla:Tipo de reactorBatchCSTRPFRPBR

CaractersticasEl reactor es cargado a travs de dos orificios en la parte superior del tanque. Mientras la reaccin se est llevando a cabo, nada ms es introducido o tomado en el tanque hasta que la reaccin se haya terminado. El tanque es fcilmente calentado o enfriado por una chaqueta de calentamiento.Arranca con condiciones de estado estacionario y con un flujo continuo de reactantes y productos. Se asume para la alimentacin una composicin uniforme a lo largo del reactor, y que el flujo de salida tiene la misma composicin que el sistema dentro del tanque.Este equipo est organizado como un reactor largo o como un conjunto de muchos reactores cortos en un banco de tubos. No presenta una variacin radial en la concentracin y, por tanto, en la velocidad de reaccin. Sin embargo, en la direccin axial la concentracin s cambia a lo largo del reactor.Reactor tubular que est empacado con partculas slidas de catalizador.

Tipos de fases presentesFase slidaFase lquidaFase gaseosaFase lquidaReacciones Gas lquidoReacciones Slido - lquidoFase gaseosa principalmenteFase gaseosa con catalizador slidoReacciones Slido Gas

UsoProduccin a pequea escalaProduccin corta o inmediataIndustria FarmacuticaProcesos de fermentacinSe lo utiliza cuando la agitacin es requerida o cuando se dispone a este tipo de reactores en serie, a fin de poder trabajar con alimentaciones de diferentes concentracionesProduccin a gran escalaReacciones cortas o rpidasReacciones homogneasReacciones heterogneasProduccin continuaAltas temperaturasSe los utiliza principalmente para reacciones de fases heterogneas con catlisis

Tipo de reactorBatchCSTRPFRPBR

VentajasAlta conversin por unidad de volumenFlexibilidad de operacin, pues el reactor puede producir un tiempo determinado producto, y posteriormente uno diferenteAcondicionamiento en vacoModerados costos de produccin y de puesta en marchaFacilidad de limpiezaOperacin ContinuaAlta velocidad de reaccinModerados costos por unidad de productoBajos costos de operacinGran homogeneidad de produccinSon fcilmente automatizablesBuen control de temperaturaFacilidad de adaptacin para trabajar con dos fasesSu construccin es simpleFacilidad de limpiezaAlta conversin por unidad de volumenOperacin continuaBajos costos de operacinBuena transferencia de caloralta conversin por unidad de masa de catalizadorOperacin continuaFcil control automtico y operacinEstabilidad de las condiciones de funcionamientoFcil control de la calidad de los productosReduccin de costos laborales

DesventajasAltos costos de operacinVariacin en la calidad de los productos obtenidos, de acuerdo a las condiciones de operacinAltos costos de instalacinPoca versatilidadCon este equipo se tiene la menor conversin por unidad de volumenPosibilidad de cambios y desviaciones con poca agitacinPueden existir gradientes de temperatura indeseablesPobre control de la temperaturaNecesidad de paradas de acondicionamientoLimpiarlo o apagar el sistema puede resultar caroPueden existir gradientes de temperatura indeseablesPobre control de la temperaturaPueden existir variacionesPueden existir dificultades de servicio y de limpieza con el reactor