Introducció a l'enginyeria dels reactors químics. Àngel Berna Prats
Читать онлайн книгу.
L’únic cas en què sol ser important aquest balang correspon al RFP (reactors tubulars), per ser utilitzat amb freqüencia per a reaccions en fase gas i estar constituït per conduccions de diàmetre xicotet. Atesa la influència de la pressió sobre la concentració, i d’aquesta sobre la velocitat de reacció, hauria d’incloure’s en el model.
Les equacions que permeten calcular la variació de la pressió al llarg del reactor són, entre altres:
– La de Haguen-Poiseuille, per a tubs buits i flux laminar (no és, per tant, un RFP):
on μ és la viscositat i <v> és la velocitat mitjana, ambdues del fluid. D és el diàmetre de la conducció (reactor).
– La de Fanning, per a tubs buits i flux turbulent:
on f és el factor de fricció i ρ la densitat del fluid.
– La d’Ergun, per a tubs amb farciment:
on ε és la porositat del llit i Rep és el mddul de Reynolds referit al diàmetre de la partícula (dp).
Qüestions, problemes i lectures d’ampliació
1. Quina de les següents expressions és 1'equació de disseny per a un RCTA? I quina ho és per a un RFP?
2. Una mescla de composició initial Njo reacciona fins a un grau d’avanç ξ, i una altra de composició initial N’jo ho fa fins a un grau d’avanç ξ, i llavors es mesclen. Demostreu que la composició que hi ha és la mateixa que si s’hagueren mesclat abans i reaccionaren fins a ξ £ ξ.
3. Seleccioneu la resposta més adequada per a les qüestions següents, raoneu molt breument l’elecció.
α) Quina suposició s’ha fet per a modelitzar un RFP ideal?
a) Que el reactor ix bé en la foto.
b) Estat estacionari i cap variació radial.
c) Sistema gasós i estat estacionari.
d) Flux laminar i sistema gasós.
β) Quina de les següents afirmacions no és una de les característiques dels RCTA?
a) S’usen generalment per a mescles liquides.
b) Mescla intensa.
c) La concentració a l’eixida és igual a l’existent en el reactor.
d) Gradient de concentració axial.
4. Quina de les següents expressions és l’equació de disseny per a un RDTA?
5. Estan tots els RTA perfectament mesclats?
a) Sí, els RTA són molt homogenis.
b) No, només els no ideals.
c) No, només els ideals.
d) No, només els que tracten sistemes líquids.
6. Assenyaleu de forma raonada entre les compositions següents les que no poden ser assolides. La reacció i la composició de partida es mostren en el problema 5. La temperatura d’operació és de 75 °C.
Problemes
1. La velocitat dels processos alimentaris no sol venir descrita en els termes convencionals de la cinètica química, probablement perquè el seu desenvolupament initial va correspondre a biòlegs o bioquímics i no a químics o enginyers químics. Així, una pràctica comuna en la indtistria alimentària consisteix a descriure la velocitat d’un procés en termes del paràmetre D, el temps de reducció decimal. Aquest concepte, per a una reacció del tipus Reactius → Productes, és el temps necessari perquè la concentració de reactius es reduïsca a la desena part del seu valor original. Trobeu la relació entre D i la constant cinètica k d’una reacció de primer ordre. La destrucció de microorganismes del tipus C. botulinum es pot representar d’aquesta forma, i per a aquesta reacció D val entre 0.1 i 0.3 min a la temperatura de referència (121 ºC), calcula els valors de k que li corresponen.
2. En la bibliografia sol trobar-se el valor de D121, és a dir, a 121 ºC (el concepte de D s’ha exposat en el problema 1, que és el valor típic de la temperatura en el procés d’envasament. La variació de D amb la temperatura també sol expressar-se en funció d’una variable distinta a l’energia d’activació. Es tracta del paràmetre z, el significat del qual és l’augment de la temperatura que redueix el temps necessari per a aconseguir una determinada conversió a la desena part. Trobeu la relació entre z i E. La destrucció de microorganismes del tipus C. botulinum presenta una energia d’activació de prop de 265-340 kJ/mol i un valor de z de 8-12 ºC; comproveu l’equació anterior amb aquestes dades.
3. La dimerització 2 A (g) → A2 (g,l) es porta a terme en un RFP a 298 K i 2 atm (reactor isoterm). La concentració de A2 creix al llarg del reactor, i comença a condensar quan aconsegueix la saturació. Si s’alimenta A pur al reactor, per a quin valor de la conversió comença a condensar? Nota. Pot considerar-se que la pèrdua de pressió en el reactor és menyspreable. La pressió de vapor de A2 a 298 K és 0.5 atm.
4. Una mescla formada per SO2 (28 %) i aire (72 % en volum) s’introdueix contínuament en un reactor de flux (continu) en el qual es desenvolupa la reacció SO2 + 1/2 O2 ↔ SO3. Construïu una taula estequiomètrica en la qual es pose de manifest la influència del grau de conversió sobre els cabals molars i les concentracions de cada espècie. Finalment, representeu gràficament la variació de les concentracions amb X en el cas que la pressió total siga de 1485 kPa i la temperatura de 227 ºC. Comenteu els resultats. Dades i notes. Pot suposar-se comportament isoterm. Així mateix, es pot menysprear la caiguda de pressió del fluid en recórrer el reactor.
5. Es disposa dels següents valors de la conversió en l’equilibri per a la reacció elemental en fase aquosa A ↔ B, amb cAo= 1 mol/L i cBo= 0 mol/L.
6. Per a la mateixa reacció del problema 5 es coneix que la corba de r = 1 talla l’eix d’abscisses en T= 66.4 ºC i la de r = 3 en T= 90 ºC. Quant valen l’energia d’activació i el factor preexponencial per a la reacció directa? Quant val l’energia d’activació de la reacció inversa? Si, a més a més, es considera que el punt (X = 0.14, T = 70 ºC) pertany a la corba de r =1, quant val el factor preexponencial de la reacció inversa?
Nota.