PROBLEMAS IRQ I




Área Ingeniería de las Reacciones Químicas
Ingeniería de las Reacciones Químicas I
Guía de Problemas 2009







Expresiones Cinéticas de la Velocidad de Reacciones Químicas Homogéneas


RQ 1. Para la descomposición térmica de N2O5 en O2 y NO2 se propuso el siguiente mecanismo:


.
A partir del mecanismo propuesto, obtener la expresión cinética que representa la velocidad de descomposicióndel N2O5 y comprobar que la misma es de primer orden respecto del N2O5.

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RQ 2. La velocidad de formación homogénea de monocloroetano a partir de cloro y etano,
,
puede representarse mediante la siguiente Ley de Potencias .
Proponga un mecanismo que permita obtener dicha Ley de Potencias. A tal fin, considere un mecanismo en cadena cuyas etapas de propagación son:


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RQ 3. Para lavelocidad de formación homogénea en fase gaseosa del fosgeno,
,
se determinó experimentalmente:
rd = kd (CCl2)3/2 CCO
ri = ki (CCl2)1/2 CCOCl2.
( a ) Verifique si las expresiones cinéticas determinadas son termodinámicamente consistentes.
( b ) ¿ Cuál de los siguientes mecanismos conduce a las expresiones cinéticas experimentales ?
Mecanismo I: Mecanismo II

rápida rápida


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RQ 4.( a )Para la velocidad de síntesis catalítica de amoníaco

se obtuvo experimentalmente la expresión cinética:
,
siendo “a” la actividad de cada sustancia. Verifique la consistencia termodinámica de esta expresión cinética.
( b ) Para la reacción A B se ha determinado que su velocidad resulta r = kd CA CB a bajos valores de la concentración del producto B.
Obtenga la velocidad de la reacción inversa yla velocidad global de tal manera que esta última presente consistencia termodinámica. ¿ Qué conclusión puede obtener a partir de la expresión cinética de la reacción global ?



Reactor Tanque Agitado Discontinuo ( TAD )


TAD 1. La reacción A  R se realiza en un TAD. La concentración inicial del reactivo A es CAI= 1 mol/l y para un tiempo de reacción de 1 h se obtiene un 50% de conversión.
Paracada una de las siguientes expresiones cinéticas, calcular la conversión que se obtendrá en 1 h de reacción si CAI= 10 mol/l.
( a ) –rA = k CA
( b ) –rA = k CA2
( c ) –rA = k
( d ) –rA = k CA – k´ CR, siendo k/k´= 10.
En cada caso, analice la influencia de la concentración inicial sobre la conversión.

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TAD 2. La trimetilamina ( TMA ) reacciona con el bromuro de n-propilo ( BP ) formandouna sal de amonio cuaternaria ( S ) según
N(CH3)3 + C3H7Br  (CH3)3 (C3H7)NBr,
siendo la velocidad de reacción r= k CTMA CBP y k(110 C) = 5.6 10-5 m3 kmol-1 s-1.
La reacción se realizará en un TAD cargando N(CH3)3 y C3H7Br con las siguientes concentraciones iniciales: C(TMA)I = 4 kmol/m3 y C(BP)I = 8 kmol/m3. El tiempo muerto, de carga y descarga de la operación es tmcd = ½ h.
Los precios dereactivos y productos son: $TMA = 50 $/kmol, $BP = 100 $/kmol y $S = 200 $/kmol. El costo unitario volumétrico del proceso es $V = 35 $/m3 y la fracción de reactivos no convertidos será reutilizada sin costo adicional.
( a ) Calcular el tiempo necesario para alcanzar un 99% de conversión.
( b ) Calcular el volumen necesario para obtener una producción de 2640 kg/hr con un 99% de conversión, siendo eltiempo muerto de carga y descarga igual a ½ h.
Con el volumen calculado en ( b ) calcular:
( c ) el tiempo de reacción requerido para que la producción sea máxima.
( d ) el tiempo de reacción requerido para que el beneficio operativo sea máximo.
( f ) Para cada caso estudiado calcule y compare los valores obtenidos de: tiempo de reacción, conversión, producción, beneficio unitario volumétrico ybeneficio operativo.

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TAD 3. Se producirá el compuesto B en un reactor TAD de 1 m3 mediante la reacción
.
A la temperatura de operación, el coeficiente cinético de la reacción es k = 2 m3 kmol-1 h-1.
Las concentraciones iniciales de los compuestos A y B serán: CAI= 1 kmol/m3 y CBI= 0.1 kmol/m3.
Calcular el tiempo de reacción necesario para alcanzar un 10% y un 90% de conversión.

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