Practico 2010

Ingeniera de las Reacciones Qumicas 2 2010

REACTORES CATALTICOS

Problema 1

Un catalizador para reacciones de hidrogenacin se prepara mediante la inmersin de partculas de almina (tamao 100-150 mesh) en una solucin acuosa de NiO3. Despus del secado y reduccin de las partculas, estas contienen aproximadamente 7 % en peso de NiO. Este catalizador es luego compactado a partculas cilndricas grandes para ser utilizado en estudios de velocidad de reaccin. Cada pellet tiene las siguientes propiedades: Masa = 3.15 g Espesor = in Volumen = 3.22 cm 3 Dimetro = 1.00 in

Las partculas de Al2O3 contienen microporos y el proceso de formacin de pellets introduce macroporos alrededor de las partculas. Se realizan experiencias y se determina el volumen del macroporos del pellet siendo 0.645 cm3 y el del microporo de 0.40 cm3/g de partcula A partir de esta informacin calcular:

a) densidad del pellet b) volumen de macroporos en cm3/g c) fraccin hueca de macroporos en el pellet d) fraccin hueca de microporos en el pellet e) fraccin slida f) densidad de partculas g) densidad de la fase slida h) fraccin hueca de las partculas.

Problema 2

Para identificar el mecanismo de cracking del cumeno, se ha determinado la velocidad inicial ro para distintas presiones (P) a 510 C.

C6H5CH(CH3)2 C6H6 + C3H6

ro ( kmol/h.kgcat) 4.3 6.5 7.1 7.5 8.1

P (atm) 0.98 2.62 4.27 6.92 14.18

Hallar la ecuacin de velocidad.


Problema 3

Encontrar la etapa de control para la deshidratacin cataltica del n-butanol y calcular las constantes correspondientes partiendo de las experiencias realizadas.

ro (mol/h.gcat) Ptotal (psi) PA/PT

0.27 105 1.00

0.51 465 088

0.76 915 0.74

0.76 3845 0.43

0.52 7315 0.46

Problema 4

La deshidrogenacin de etilbenceno es uno de los mtodos ms importantes para la produccin de estireno.

C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2 + H2 Esta reaccin ha sido estudiada en un reactor diferencial usando un catalizador compuesto por 95% en peso Fe2O3, 3 % Cr2O3, 2% KOH. Se observ que la velocidad de reaccin no era afectada por la concentracin de hidrgeno, pero que decreca cuando se agregaba estireno a la alimentacin. A su vez, a medida que la presin parcial del etilbenceno se aumenta hasta presiones altas, la velocidad de reaccin resulta independiente de la presin parcial de etilbenceno. Se dispone de la siguiente informacin (temperatura 630C):

r * 10 3 ( gmol/min.gcat) 1.4115 0.214 0.166

PEtB ( atm) 1.0 0.01 1.0

Pest ( atm) 0.0 0.0 1.0

Sugiera un mecanismo que sea consistente con las observaciones experimentales y deduzca la correspondiente expresin para la velocidad de reaccin, y evale todas las constantes del modelo propuesto. Determine luego la masa del catalizador necesario para producir 2000 kg de estireno por da en:

i. Un reactor de lecho fluidizado ii. Un reactor de lecho fijo.

En la alimentacin se usa vapor como diluyente en la proporcin del 75% (peso) H2O y 25% (peso) de etilbenceno. La conversin de etilbenceno es del 33%, y se trabaja a P= 1 atm.

Problema 5

En un horno de acero inoxidable del tipo de reactor de flujo en mezcla completa (volumen hueco del reactor = 0.8 litros, superficie total del reactor = 800 cm2) se estudia la descomposicin

homognea A R , obtenindose los siguientes resultados para CAo = 100 mmol/L:


( seg) 40 10

CA, sal. mmol/L 20 40

Se cree que la superficie de acero inoxidable cataliza la reaccin y para comprobarlo se introduce en el reactor una superficie adicional resultando una Stotoal=1500cm

2 y un volumen hueco en ell reactor de 0.75L. Los nuevos ensayos para CA0=100mmol/L son:

( seg) 26.7 7.5

CA, sal. mmol/L 20 40

Calclese la cintica de esta descomposicin, e indquese si transcurren simultneamente reacciones homogneas y catalticas, dando las expresiones cinticas con sus respectivas unidades para ambos procesos.

Problema 6

Se desea determinar el efecto de transporte de masa externo en la oxidacin cataltica del SO2, considerando los siguientes datos a 480 C:

Velocidad msica (lb/h.ft2)

Presin Parcial (atm) Velocidad de reaccin (gmolSO2/h.gcat)

SO2 SO3 O2

514 0.0601 0.00668 0.201 0.1546

350 0.0599 0.00666 0.201 0.1278

245 0.0603 0.00668 0.201 0.1215

147 0.0603 0.00670 0.201 0.0956

El reactor es de lecho fijo con partculas de dimetro 1/8. La presin total es de 790mm Hg. Se utiliza Pt sobre soporte de almina como catalizador, encontrndose el Pt slo sobre la superficie exterior cuya rea es de 5.12 ft2/lb. Asumir que se comporta como un reactor diferencial.

i. Calcular la cada de presin de SO2 en el film gaseoso. ii. Qu conclusiones puede establecer al determinar la importancia de la difusin externa?

Problema 7

Se desean producir 100 gmol B /min en un reactor tubular flujo pistn mediante la reaccin cataltica A B + 2C. La alimentacin contiene 50% de A y 50% de inertes (en base molar). El reactor se va a operar isotrmicamente a la presin de 5 atm. Existe evidencia experimental que muestra que la transferencia de masa desde el seno global de la fase gaseosa hasta el catalizador es la etapa controlante. La velocidad de reaccin en esas

condiciones est dada por rA = kApAg donde kA = kGav/ = 0.048 mol/h.atm.gcat. i. Calcular la masa de catalizador requerida para obtener el 90% de conversin en A en un

reactor tubular de flujo pistn en las mismas condiciones de etapa controlante.


ii. Determinar la velocidad de flujo molar de A en la alimentacin que sera necesaria para alcanzar la produccin especificada para B.

Problema 8

Para determinar el factor de efectividad del catalizador para la deshidrogenacin cataltica del butano se realizan experimentos en un reactor diferencial con pastillas de catalizador de diferentes tamaos, de forma cilndrica e igual altura. Las velocidades de reaccin determinadas por la misma masa de catalizador son:

Dimetro (in) Velocidad de Reaccin

1050 F 1100 F

0.125 2.68 5.52

0.250 1.90 3.41

Calcular: Nmero de Thiele y el factor de efectividad para cada tamao de partcula a cada temperatura dada. Indicar las condiciones de trabajo ms favorables. Si se trabaja a 1100 F y D = 0.080 in, cul ser el grado de influencia de la difusin expresado en porcentaje? Despreciar el efecto debido a la transferencia de masa externa y considerar reaccin de primer orden.

Problema 9

a) Discuta la importancia de las resistencias involucradas de acuerdo a los datos que se presentan en la siguiente tabla si:

i. el catalizador es no poroso ii. el catalizador es poroso

Reactor diferencial, igual cA0

CORRIDA W F Conversin Dcat

1 10 10 0.06 1

2 30 30 0.06 1

3 30 30 0.02 3

b) Qu puede decirse acerca de la etapa de control y la porosidad del catalizador a partir de

la siguiente tabla de datos experimentales?:

CORRIDA W F Conversin Dcat.

4 10 0.5 0.08 2

5 80 4 0.08 2

6 20 1 0.06 4

7 100 5 0.06 4


Problema 10

Suponga que un catalizador que se desea ensayar en un reactor cataltico de lecho fijo sigue el

modelo de Thiele. Suponga adems, que la reaccin de primer orden A B se lleva a

cabo en condiciones tales que FA = FAoe-K

PW/F

To La alimentacin consiste en A puro y se realizan dos corridas en las mismas condiciones operativas y con la misma masa de catalizador. En la primer corrida se emplean pellets de longitud L1 y en la segunda, se duplica la longitud de los pellets L2 = 2L1 Si se obtiene una conversin de X1 = 0.3 moles de A convertidos por mol de A en la alimentacin para la primer corrida, calcular la conversin x2 que se obtendra en la segunda corrida en caso de que la resistencia por difusin en el poro sea grande. Suponga que se lleva a cabo una tercer corrida en la cual se emplean pellets de longitud L3 = 2L1 y que la relacin W/FAo se ajusta de modo tal que x3 = x1 = 0.3. Hallar el valor de W/FAo en funcin de (W/FAo)1 necesario para alcanzar la misma conversin lograda en la primer corrida. (Suponer nuevamente que los ensayos fueron realizados en la regin en que la resistencia a la difusin en el poro es grande). Despreciar la resistencia a la transferencia de masa externa.

Problema 11

La reaccin de primer orden A R se estudia en un reactor con recirculacin empleando una relacin de recirculacin muy grande. Se dispone de los siguientes datos: Volumen hueco del reactor: 1 L Peso del catalizador empleado: 3 g Alimentacin del reactor: cAo = 2 mol/L, vo = 1 L/h Condiciones de la corriente de salida: cA,sal = 0.5 mol/L

i. Calclese el coeficiente cintico de esta reaccin, indicando sus unidades. ii. Calclese la cantidad necesaria de catalizador en un reactor de lecho de relleno, para la

conversin de un 80% de una alimentacin de 1000 L/h de concentracin cA0 =1 mol/L Considerar despreciable la resistencia a la masa externa. Repetir el punto ii) si el reactor est relleno de una parte de catalizador y 4 partes de slido inerte. Esta adicin de inerte ayuda a mantener las condiciones isotrmicas y elimina zonas calientes. Qu cambiara de todo lo anterior si la reaccin fuera de segundo orden? Nota: supngase que se mantienen siempre condiciones isotrmicas.

Problema 12

Se ha encontrado que a 700 C, la velocidad de descomposicin de A 3R sobre un catalizador especfico, viene dada por:

AcatAA CLghdt

dN

Wr

11' 101

Se construye una planta piloto que consta de un reactor tubular de lecho de relleno de 2 cm de dimetro interno que emplea 25% de pastillas de ese catalizador y 75% de pastillas inertes, para asegurar condiciones isotrmicas.


i. Calcular la longitud del reactor para que PA,sal/PA,ent = 0.111 si la alimentacin es de 400 mol/h y est formada por el 50% de A y 50% de gas inerte a 8 atm y 700 C.

Datos: las pastillas del catalizador y de la sustancia inerte son porosas, de dimetro dp = 3 mm y de

densidad = 2 g/cm3. Fraccin hueca del lecho = 50%. Despreciar la resistencia a la transferencia de masa externa.

Problema 13

Como la reaccin cataltica A R es fuertemente exotrmica y la velocidad de reaccin vara mucho con la temperatura. Para obtener datos cinticos prcticamente isotrmicos, se emplea un reactor tubular largo, relleno de catalizador, sumergido en agua. El componente A puro, a 0 C y 1 atm, circula a travs del tubo con un caudal de 10 cm3/seg, y analizando la composicin de la corriente en varios puntos se han obtenido los siguientes datos:

Distancia desde la entrada (m)

0 12 24 36 48 60 72 84 ()

Presin parcial de A (mmHg)

760 600 475 390 320 275 240 215 150

Puede despreciarse la resistencia a la transferencia de masa externa y el catalizador es no poroso. Calcular el tamao del reactor de flujo pistn necesario para efectuar una conversin del 50% de A en R, para un caudal de alimentacin de 10 mol/h de A puro, operando a 0 C y 1 atm.

Problema 14

En un reactor de laboratorio se mide la velocidad de isomerizacin del n-butano a 5 atm y 50 C. La reaccin se realiza con gran turbulencia en el gas que rodea al catalizador para asegurar que la resistencia debida a la difusin externa es despreciable. Se sabe que la reaccin es reversible de primer orden y a 50 C, la conversin de equilibrio es del 85%. La difusividad efectiva es de 0.08 cm2/seg en las condiciones de reaccin y la densidad de los pellets de catalizador es de 1.0 g/cm3. La velocidad global para distintos tamaos de partcula, cuando n-butano puro rodea al catalizador, es:

dp (in) 1/8 1/4 3/8

rPe (gmol/seg.gcat) 4.85x10-4 4.01x10-4 3.54x10-4

Para disminuir la prdida de presin en el reactor de lecho fijo a utilizar, es conveniente trabajar con el mximo tamao de pellet que no produce una disminucin en la velocidad global debida a difusin interna. El calor de isomerizacin es suficientemente bajo para que todo el pellet est a 50 C.

i. Cul es el mayor tamao que se puede utilizar? ii. Calcular los factores de efectividad para cada tamao.

Informacin adicional


Para reacciones reversibles de primer orden y partculas esfricas:

La relacin entre y S es la misma que para reacciones irreversibles de primer orden y partculas esfricas:

Se puede considerar que cuando S 1/3, 1

Problema 15

Se dispone de un reactor diferencial cataltico de lecho relleno para estudiar la reaccin cataltica

A + B R. Se sabe que el reactivo A es lquido y contiene al reactivo B (gaseoso) disuelto. Dicha mezcla lquida de reaccin se bombea a travs de un pequeo lecho relleno de partculas de catalizador. La concentracin de B en la corriente lquida de entrada al reactor es aproximadamente constante a lo largo del mismo y vale CB = 2.6x10

-6 gmol/cm3. La temperatura de trabajo del reactor es constante y vale T = 40.6 C (estado estacionario). Las propiedades del catalizador son las siguientes: est compuesto por 0.2% en peso de Pt sobre

Al2O3 granular, con densidad de partcula P =1.53 g/cm3

Se dispone adems de la siguiente informacin de la velocidad de reaccin (r) determinada midiendo la produccin de R como funcin del flujo volumtrico de entrada al reactor, para dos tamaos de partcula:

vo (cm3/s) 2.5 3.0 5.0 8.0 10.0 11.5 12.5 15.0 25.0 30.0

(r) * 106

gmol/gcat.s

dp=0.054cm - 1.49 1.56 1.66 1.70 - 1.80 1.90 1.94 - dp=0.162cm 0.65 - 0.72 0.80 0.82 0.85 - 0.95 1.02 1.01

En estas condiciones se sabe que la velocidad de reaccin es de primer orden respecto a B. Calcular los factores de efectividad y la difusividad de B en los poros del catalizador

Nota: Para mdulos de Thiele s < 5 el factor de efectividad para partculas esfricas es

e

P1S

SK.D

1)K(k

3

r

SSS tanh

3

1

3

11

sss th

3

1

3

11

e

p

sD

kR

3


Problema 16

Se ha diseado un reactor cataltico de lecho relleno que operar isotrmicamente a una temperatura T para producir un producto B a partir del reactivo A de acuerdo a la siguiente

reaccin en fase gaseosa: A Bk1

La operacin del reactor se realizar de acuerdo a lo que se esquematiza en la siguiente figura:

En las condiciones de operacin ocurre una reaccin secundaria que consiste en A Ck2 .

Hallar la concentracin de A a la salida del reactor. Datos del lecho: Pastillas porosas de forma esfrica

p = 1.65 g/cm3 dp = 0.60 cm

Fraccin hueca del lecho (B) = 0.40 Composicin (% en peso): 20% pastillas de catalizador 80% pastillas de inerte Dimensiones del reactor: largo = 4.5 m dimetro = 60 cm Corrientes de entrada: v1 = 5.7 L/s v2 = 4.2 L/s CAo = 8.0 * 10

-5 gmol/cm3

Propiedades del fluido de alimentacin: = 5.0 * 10-4 g/cm3

= 0.504 * 10-4 g/cm De = 3.29 * 10

-3 cm2/s Constante cinticas (intrnsecas) a T: k1 = 0.18 cm

3/gcat.s k2 = 0.07 cm

3/gcat.s Para este reactor se ha verificado que el coeficiente de transferencia de masa kg cumple con la siguiente funcin: kg = 1.41 G

0.593 , vlida para Re = 10 , con kg en cm/s y G en g/cm2.s .

Problema 17

Se dispone de un lecho cataltico que se comporta como un RTFP donde se lleva a cabo la reaccin

irreversible de primer orden A B . La masa de catalizador a utilizar es de 150 kg y la alimentacin consiste en A puro (CAo = 0.1 gmol/L) con un caudal volumtrico de entrada de 350 L/h.

L/2 L

v1 , CAo

v2 , CAo


Para la determinacin de los parmetros se realizaron ensayos previos en el reactor con el mismo lecho de catalizador. Los resultados fueron los siguientes:

Q (L/h) XA

250 0.58 300 0.54 450 0.47

a) Calcular la conversin a la salida del reactor. b) Se necesita aumentar la produccin de B en un 30% para lo cual se propone aplicar un reciclo: Deducir la ecuacin de diseo para el reactor con reciclo y determinar la relacin de reciclo (R = vr/vo) para alcanzar la produccin deseada. Para las condiciones de operacin se cumple: Re > 10

jd G

DB

p

0 458

0 407.

.

Problema 18

La reaccin irreversible de segundo orden A(g) B(g) se lleva a cabo en un reactor cilndrico de lecho empacado de 20 cm de dimetro, en condiciones de temperatura y presin constantes. Las pastillas del catalizador son de 3 mm de dimetro y densidad 4 g/cm3 y la fraccin hueca del lecho es 0.4 . La alimentacin consiste en una corriente de 100 L/min del reactivo A de concentracin 0.20 mol/L y densidad 0.016 g/cm3 en las condiciones de operacin. Calcular el largo del reactor necesario para alcanzar una concentracin de A a la salida de 0.01 mol/L. Informacin complementaria: i) Ensayos realizados en un reactor de cestas, trabajando con distintos dimetros de partculas, permiten concluir que es despreciable la resistencia a la transferencia de masa interna en el rango de concentraciones considerado y en las mismas condiciones de temperatura y presin. En la siguiente tabla se indican los valores de concentracin de A a la salida del reactor de cestas para distintos pesos de catalizador, utilizando una alimentacin de 15 cm3/min del reactivo A de la misma concentracin.

W (g) CA*105

(mol/cm3)

20 4.778 60 2.922 100 2.304

vo

vr


ii) Para Re > 10 se puede utilizar la siguiente correlacin emprica:

jD = 0.458 * Re-0.407/B

La viscosidad es de 0.0064 g/cm.min y Sc = 0.8 .

Problema 19

La reaccin en fase gaseosa A B se efecta sobre un reactor continuo de lecho fluidizado que contiene 5000g de pastillas de catalizador. La corriente de alimentacin es de 5000 L/d con una CA,0 = 0.8 mol/L. Se puede asumir la reaccin como de primer orden respecto a A, siendo la k = 45 L/gcatd. La alimentacin contiene compuestos que envenenan el catalizador; siendo la tasa de desactivacin del catalizador de primer orden referido a la actividad y de orden cero referido a la concentracin de reactivo.

i. Calcular la conversin obtenida sin considerar la desactivacin del catalizador. ii. Para estudiar la tasa de desactivacin de catalizador se estudia la concentracin de salida

del reactor vs el tiempo, en las mismas condiciones que en la parte i):

t(d) CA (mol/L)

2 0.021

5 0.028

10 0.046

15 0.072

20 0.113

25 0.170

Determine la constante de desactivacin.

iii. Si no se renueva el catalizador, cual es la conversin luego de 40 das de uso?

Problema 20

Se hace reaccionar hidrgeno y tolueno sobre un catalizador de slico-almina para producir benceno y metano. C6H5CH3 + H2 C6H6 + CH4 En las condiciones de trabajo de un reactor de lecho fluidizado (T = 600C y P = 10 atm) se ha encontrado que la cintica est dada por

= 1.4108 21+ +1.3

Con las presiones en atm.


Se desea producir 12gmolbenceno/d en un reactor de lecho fluidizado, a partir de una alimentacin que contiene 30% tolueno, 30% hidrgeno y 40% de inertes a 600C y 10 atm. El caudal de alimentacin es de 400L/d.

i. Determinar la masa de catalizador necesaria y el volumen del reactor.

p = 0.4 kgcat/L; B= 0.6 (fraccin hueca de lecho); composicin (% peso): 30% pastillas inertes; 70% pastillas catalizador

ii. Se analiza la concentracin de tolueno a la salida para distintos tiempos de uso del catalizador y se encuentra un decaimiento de la actividad del catalizador.

t (h) CTol (mol/L)

6 1.25e-2

12 1.31e-2

18 1.36e-2

24 1.42e-2

36 1.52e-2

48 1.61e-2

Se sabe que la desactivacin por sinterizacin responde a

=

2

Determinar el parmetro correspondiente. Nota: Linealizando la ecuacin de velocidad obtenida anteriormente, la constante intrnseca resultante en las condiciones de operacin es de 1.35103 L2/kgcat.mol.dia. Pueden considerarse despreciables las resistencias a la transferencia de masa.

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