Tarea 2 - Diseno de Reactores

UNIVERDIDAD NACIONAL DEL
ALTIPLANO
Facultad de Ingeniería Química

Escuela Profesional de Ingeniería Química
DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS
PRESENTADO POR
 Aguilar Choque, Evelyn
DOCENTE:
 Ing. Villafuerte Prudencio, Nazario PUNO-PERÚ
SEMESTRE: VIII 2021
Resolver los siguientes problemas propuestos:
PROBLEMA 1.- La reacción exotérmica: A → B + C, se efectuó adiabáticamente y

se registraron los siguientes datos:
X 0 0,2 0,4 0,45 0,5 0,6 0,8 0,9

-rA 1,0 1,67 5,0 5,0 5,0 5,0 1,25 0,91
(mol/dm3.min)
FA0 = 300mol/min
a) Halle el tamaño del reactor CSTR, para lograr una conversión del 40%.
Datos:
𝐹𝐴0 = 300𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑖𝑛
𝑋 = 40% → 0.40
Primero completamos el cuadro:
X 0 0.2 0.4 0.45 0.5 0.6 0.8 0.9
𝑚𝑜𝑙
−𝑟𝐴 = 1 1.67 5 5 5 5 1.25 0.91
𝑑𝑚3 ∗ 𝑚𝑖𝑛
1 𝑑𝑚3 ∗ 𝑚𝑖𝑛 179.6 1.098

= 1 0.2 0.2 0.2 0.2 0.8
−𝑟𝐴 𝑚𝑜𝑙 407 9
𝐹𝐴0 179.6 329.6

𝑑𝑚3 300 60 60 60 60 240
−𝑟𝐴 407 703
Ahora utilizamos la ecuación de diseño para un reactor CSTR en función de 𝐹𝐴0, 𝑋 y
−𝑟𝐴.
𝐹𝐴0 𝑋
𝑉=
(−𝑟𝐴 )𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
En un CSTR, la composición, temperatura y conversión de la corriente de salida son

idénticas a la del fluido en el interior del reactor, porque se asume mezcla perfecta. Por
lo tanto, es necesario encontrar el valor de −𝑟𝐴 (o el reciproco del mismo) en X=0.4.
1 𝑚3 ∗ 𝑚𝑖𝑛
( ) = 0.2
−𝑟𝐴 𝑋=0.4 𝑚𝑜𝑙
Reemplazando.
𝑚𝑜𝑙
𝑉 = 300
𝑑𝑚3 ∗ 𝑚𝑖𝑛
𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑜𝑙
1 𝑚3
𝑉 = 24𝑑𝑚3 → 1𝑑𝑚3 ∗
1000 𝑑𝑚3
1000 𝐿
𝑉 = 24𝑑𝑚3 → 1𝑚3 ∗
1𝑚3
𝑉 = 24 𝐿
Realizamos la gráfica de Levenspiel para nuestro reactor CSTR:

b) Halle el tamaño del reactor PFR, para lograr una conversión del 40%
Datos:
𝑋 = 40% → 0.40
Primeramente, comenzaremos repitiendo las filas (1) y (4) del cuadro de datos mostrados
en el diseño de un CSTR.
X 0 0.2 0.4 0.45 0.5 0.6 0.8 0.9
𝐹𝐴0
𝑑𝑚3 300 179.6407 60 60 60 60 240 329.6703
−𝑟𝐴
Para un reactor PFR usaremos la forma integral de su fórmula de diseño.
𝑥 𝑥
𝑑𝑥 FA0
V = FA0 ∫ →𝑉 = ∫ 𝑑𝑥
0 −𝑟𝐴 0 −𝑟𝐴
Remplazado con nuestros datos.

0.4
FA0
V = FA0 ∫ 𝑑𝑥
0 −𝑟𝐴
A continuación, utilizaremos la regla de Simpson un tercio (de tres puntos).
𝑋2
ℎ
∫ 𝑓(𝑥 )𝑑𝑥 = [𝑓 (𝑋0 ) + 4𝑓(𝑋1 ) + 𝑓 (𝑋2 )]
𝑋0 3
Donde:
𝑋2 − 𝑋0
ℎ= = ∆𝑋
2
Reemplazamos la ecuación (1) en la (2), entonces tenemos:
0.2
𝑉= [300 + 4(179.64) + 60]
3
𝑉 = 71.9 𝑑𝑚3
𝑉 = 71.9 𝐿
Hacemos la gráfica de Levenspiel para nuestro reactor tubular tenemos.

c) Halle el volumen total del sistema Si el reactor PFR está conectada en serie con
un reactor CSTR. Dónde X0 = O es al ingresar al primer reactor, X1= 0,40 es la
conversión intermedia y al salir del reactor CSTR la conversión es X2= 0,90.
𝑋0 = 0
𝑋1 = 0.40
𝑋2 = 0.90
Representación gráfica:
Para calcular el VT:

𝑉𝑇 = 𝑉𝑃𝐹𝑅 + 𝑉CSTR
Tenemos el valor de 𝑉𝑃𝐹𝑅 para 𝑋0 = 0 y 𝑋1 = 0.40:
0.4
FA0
V = FA0 ∫ 𝑑𝑥
0 −𝑟𝐴
𝑉𝑃𝐹𝑅 = 71.9 𝑑𝑚3
Ahora, calcularemos el valor de 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 para 𝑋2 = 0.90
𝐹𝐴0 𝑋
𝑉CSTR =
(−𝑟𝐴 )𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
300 𝑚𝑜𝑙⁄min∗ 0.9

𝑉CSTR =
(0.91𝑚𝑜𝑙/𝑑𝑚3 ∗ 𝑚𝑖𝑛)𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑉CSTR = 296.70 𝑑𝑚3
Finalmente:
𝑉𝑇 = 𝑉𝑃𝐹𝑅 + 𝑉CSTR
𝑉𝑇 = 71.9 𝑑𝑚3 + 296.70 𝑑𝑚3
𝑉𝑇 = 368.6 𝑑𝑚3 = 368.6 𝐿
PROBLEMA 2.- Para una reacción exotérmica catalítica gas – sólido, efectuada
adiabáticamente, se registraron los siguientes datos:
X 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,9

FA0/-rA´ (kg
de 60 30 20 18 25 35
catalizador)
a) ¿Qué masa de catalizador será necesario en un reactor lecho empacado (PBR),

para lograr una conversión del 40 %?
Datos:
𝑋 = 40% → 0.40
Para calcular la masa del catalizador usaremos la forma integral de la ecuación de

diseño para un reactor PBR.
𝑥
FA0
𝑤=∫ 𝑑𝑥
0 −𝑟′𝐴
Utilizaremos la regla de Simpson un tercio (de tres puntos).
𝑋2
ℎ
∫ 𝑓(𝑥 )𝑑𝑥 = [𝑓 (𝑋0 ) + 4𝑓(𝑋1 ) + 𝑓 (𝑋2 )]
𝑋0 3
Donde:
𝑋2 − 𝑋0
ℎ= = ∆𝑋
2
∆𝑋 FA0 FA0 FA0

𝑤= [ ′ +4 ′ + ′ ]
3 −𝑟 𝐴 (𝑋 = 0) −𝑟 𝐴 (𝑋 = 0.2) −𝑟 𝐴 (𝑋 = 0.4)
F
Usando valores de −𝑟A0′ de la tabla de datos:
𝐴
0.2
𝑤= [60 + 4(30) + 20]
3
𝑤 = 13.33 𝑘𝑔
b) ¿Qué masa de catalizador será necesario en un reactor lecho empacado (PBR),

para lograr una conversión del 80 %?
𝑋 = 80% → 0.80
Para calcular la masa del catalizador usaremos la forma integral de la ecuación de

diseño para un reactor PBR.
𝑥
FA0
𝑤=∫ 𝑑𝑥
0 −𝑟′𝐴
A continuación, utilizaremos la fórmula de cuadratura de cinco puntos.
𝑋4
ℎ
∫ 𝑓 (𝑥 )𝑑𝑥 = [𝑓(𝑋0 ) + 4𝑓 (𝑋1 ) + 2𝑓(𝑋2 ) + 4𝑓(𝑋3 ) + 𝑓(𝑋4 )]
𝑋0 3
Donde:
𝑋4 − 𝑋0
ℎ= = ∆𝑋
4

∆𝑋 FA0 FA0 FA0 FA0
𝑤= [ ′ +4 ′ +2 ′ +4 ′
3 −𝑟 𝐴 (𝑋 = 0) −𝑟 𝐴 (𝑋 = 0.2) −𝑟 𝐴 (𝑋 = 0.4) −𝑟 𝐴 (𝑋 = 0.6)
FA0
+ ]
−𝑟 ′ 𝐴 (𝑋 = 0.8)
F
Usando valores de −𝑟A0′ de la tabla de datos:
𝐴
0.2
𝑤= [60 + 4(30) + 2(20) + 4(18) + 25]
3
𝑤 = 21.133 𝑘𝑔
PROBLEMA 3.- La reacción: A →B, se efectuará isotérmicamente en un reactor

de flujo continuo. Halle el tamaño del reactor CSTR, para alcanzar una conversión
del 99% de A. El flujo molar inicial es FA0 = 5 mol/h, y siendo -rA = k, k= 0,05
mol/h.dm3.
DATOS:
 𝐾 = 0.05 𝑚𝑜𝑙/ℎ. 𝑑𝑚3
 −𝑟𝐴 = 𝑘
 𝑣0 = 10𝑑𝑚3/𝑚𝑖𝑛
 𝐹𝐴0 = 5.0 𝑚𝑜𝑙/ℎ
 99%=X=0.99
Halle el tamaño del reactor CSTR. Usando la ecuación general:
𝐹𝐴0 − 𝐹𝐴
𝑉=
−𝑟𝐴
Para que se consuma el 99% de A, suponemos 𝐶𝐴 = 0.01 ∙ 𝐶𝐴0 , 𝐹𝐴 = 𝐶𝐴 ∙ 𝑣0, 𝐹𝐴0 =
𝐶𝐴0 ∙ 𝑣0.
𝐹𝐴0
𝐶𝐴0 =
𝑣0
5
𝐶𝐴0 =
10
𝐶𝐴0 = 0.5 𝑚𝑜𝑙/𝑑𝑚3
𝐹𝐴0
𝑉=( )∗𝑋
−𝑟𝐴
Reemplazando valores en la ecuación general:
(𝐶𝐴0 ∗ 𝑣0 ) − (𝐶𝐴 ∗ 𝑣0 )
𝑉=
−𝑟𝐴
(50 ∗ 10) − (0.01 ∗ 0.5 ∗ 10)

𝑉=
0.05
𝑉 = 99 𝑑𝑚3

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Facultad de Ingeniería Química

PROBLEMA 1.- La reacción exotérmica: A → B + C, se efectuó adiabáticamente y

X 0 0,2 0,4 0,45 0,5 0,6 0,8 0,9

Primero completamos el cuadro:

X 0 0.2 0.4 0.45 0.5 0.6 0.8 0.9

1 𝑑𝑚3 ∗ 𝑚𝑖𝑛 179.6 1.098

𝐹𝐴0 179.6 329.6

En un CSTR, la composición, temperatura y conversión de la corriente de salida son

Realizamos la gráfica de Levenspiel para nuestro reactor CSTR:

X 0 0.2 0.4 0.45 0.5 0.6 0.8 0.9

Para un reactor PFR usaremos la forma integral de su fórmula de diseño.

Remplazado con nuestros datos.

A continuación, utilizaremos la regla de Simpson un tercio (de tres puntos).

Reemplazamos la ecuación (1) en la (2), entonces tenemos:

Hacemos la gráfica de Levenspiel para nuestro reactor tubular tenemos.

Para calcular el VT:

Tenemos el valor de 𝑉𝑃𝐹𝑅 para 𝑋0 = 0 y 𝑋1 = 0.40:

𝑉𝑃𝐹𝑅 = 71.9 𝑑𝑚3

Ahora, calcularemos el valor de 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 para 𝑋2 = 0.90

300 𝑚𝑜𝑙⁄min∗ 0.9

𝑉CSTR = 296.70 𝑑𝑚3

𝑉𝑇 = 71.9 𝑑𝑚3 + 296.70 𝑑𝑚3

𝑉𝑇 = 368.6 𝑑𝑚3 = 368.6 𝐿

X 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,9

a) ¿Qué masa de catalizador será necesario en un reactor lecho empacado (PBR),

Para calcular la masa del catalizador usaremos la forma integral de la ecuación de

Utilizaremos la regla de Simpson un tercio (de tres puntos).

Reemplazamos la ecuación (1) en la (2), entonces tenemos:

∆𝑋 FA0 FA0 FA0

b) ¿Qué masa de catalizador será necesario en un reactor lecho empacado (PBR),

Para calcular la masa del catalizador usaremos la forma integral de la ecuación de

A continuación, utilizaremos la fórmula de cuadratura de cinco puntos.

Reemplazamos la ecuación (1) en la (2), entonces tenemos:

PROBLEMA 3.- La reacción: A →B, se efectuará isotérmicamente en un reactor

 𝐾 = 0.05 𝑚𝑜𝑙/ℎ. 𝑑𝑚3

 𝐹𝐴0 = 5.0 𝑚𝑜𝑙/ℎ

Halle el tamaño del reactor CSTR. Usando la ecuación general:

Para que se consuma el 99% de A, suponemos 𝐶𝐴 = 0.01 ∙ 𝐶𝐴0 , 𝐹𝐴 = 𝐶𝐴 ∙ 𝑣0, 𝐹𝐴0 =

𝐶𝐴0 = 0.5 𝑚𝑜𝑙/𝑑𝑚3

Reemplazando valores en la ecuación general:

(50 ∗ 10) − (0.01 ∗ 0.5 ∗ 10)

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