Es9 - I blog di Unica

Esercitazione n. 9a CSTR
Una soluzione acquosa del monomero “A” (1 mole/l) viene alimentata con una portata di 4
l/min. al un CSTR di 2 l. In questo reattore la soluzione viene irradiata e quindi polimerizza ad
un prodotto W. In uscita si ha una concentrazione di A non reagito pari a 0,01 moli/l ed una
concentrazione del prodotto polimerico W pari a 0,0002 moli/l Sapendo che la reazione di
polimerizzazione evolve secondo lo schema AW che è irreversibile ed ha una cinetica del
1° ordine rispetto ad A, si trovi la velocità di generazione del reagente A e del prodotto W ed il
coefficiente stechiometrico  della specie A.
2. Il gas scaricato da un reattore nucleare contiene fra gli altri l’elemento radioattivo Xe-133 la
cui semi-vita vale 5,2 giorni. Questo gas prima di essere immesso nella atmosfera viene inviato
ad un serbatoio dove permane per 30 giorni. Assumendo, come d’altro canto sembra probabile,
che il contenuto del serbatoio possa essere assunto a mescolamento se non perfetto molto
prossimo ad esso, si trovi la frazione di attività rimossa
3. L’enzima E catalizza la fermentazione del substrato A (il reagente è in soluzione acquosa) al
prodotto R. Si trovi il volume del reattore a mescolamento perfetto necessario per ottenere una
conversione del reagente pari al 95%; sono disponibili i seguenti dati
 portata alimentata ve=25 dm3/min
 concentrazione di A nella alimentazione CeA=2 moli/dm3
 velocità di evoluzione della reazione alla concentrazione enzimatica del
processo -RA=0,1CA/(1+0,5CA) [moli/min]
4. Per le reazioni 2A ==> B e 2B ==> C, in un CSTR sperimentale sono state misurate le concentrazioni
dei reagenti A e B a vari tempi di riempimento. I valori rilevati sono riportati in tabella.. In tutti gli
esperimenti e’ stato CeA= 2 mole/l e CeB=0 moli/l; in tutte le prove e’ stata anche tenuta costante la
portata volumetrica alimentata. Si vuole sapere:
a. come sono state gestite le prove, in particolare precisare come e’ stato possibile variare il
tempo di riempimento;
b. la concentrazione del prodotto C ai vari tempi di riempimento in tabella;
c. si proponga un modello cinetico;
d. si stimino i parametri del modello cinetico in modo tale da poter rappresentare al meglio i
risultati sperimentali;
e. si valutino le condizioni ottimali di funzionamento e la concentrazione dei componenti A B e
C;
f. supponendo di voler gestire un CSTR del volume di 500 l in condizioni ottimali e supponendo
che la reazione evolva in fase liquida, si valuti sia la portata trattabile che la composizione
della corrente uscente.
1.
min
10
20
40
100
450
CA [moli/l]
1
0,780
0,592
0,400
0,200
CB [moli/l]
0,4545
0,5083
0,5028
0,400
0,1636
Esercitazione n. 9b CSTR
1.
Le reazioni elementari che evolveono in fase liquida A =1=> B =2=> C hanno costanti cinetiche
rispettivamente k1 e k2 . Esse evolvono in un CSTR del volume di 10 dm3. Si determinino le caratteristiche
della corrente uscente se il reattore viene alimentato con una portata volumetrica di 1000 dm 3/min. e ad una
concentrazione di A CeA=0,3 moli/dm3. La temperatura di ingresso vale 283 K.
Sono disponibili le seguenti informazioni:

cpA=cpB=cpC=200 J/mole K

k1=3,03 min-1 a 300 K E1 (en di att.)=9900 cal/mole

k2=4,58 min-1 a 500 K E2 (en di att.)=27000 cal/mole

HR1=-55000 J/moleA (della sola prima reazione)

HR2=-71500 J/moleB (della reazione completa 1+2)

UA=40000 coefficiente di scambio globale J/min K (temperatura ambiente = 57 oC)
2.
La reazione endotermica elementare A + B ===> C evolve in fase liquida fino a completamento
(X=1) in un CSTR che scambia calore tramite una camicia esterna. Si hanno a disposizione i
seguenti dati, ed occorre calcolare la temperatura di stato stazionario del reattore
Volume di reazione 125 gal; Superficie di scambio termico 10 ft2; Vapore per il riscaldamento 150
psig (temperatura di saturazione 365,9 °F); Coefficiente complessivo di scambio termico U=150
BTU/hft2°F; Potenza alla pala dell’agitatore 25 HP *; Calore di reazione (-HR)=20000 BTU/lb
mole di A.
Alimentazione [moli/h]
Alimentazione T [°F]
cp [BTU/lbmole °F]
Peso Mol.
Densita’ [lb/ft3]
A
10
80
51
128
63
B
10
80
44
94
67,2
C
0
47,5
65
Si calcoli la temperatura della corrente uscente.
3.
*
Occorre selezionare il tipo di reattore dove condurre reazione elementare di equilibrio A <===>
2B che evolve in fase gassosa. L’alimentazione che ha una ha una portata di 100 dm3/min, si trova
a 27 °C ed e’ composta per 80% in moli dal componente A e per il resto da un inerte (I). Il gas A si
trova nella alimentazione ad una concentrazione pari a 0,5 moli/dm3. Si vuole conseguire una
conversione pari a 80% della conversione adiabatica di equilibrio. Occorre pertanto fornire i
seguenti risultati necessari per la scelta:
 Il volume di PFR necessario per condurre la reazione adiabaticamente
 Si diagrammi la conversione e la temperatura in funzione della lunghezza del reattore
(si assuma il diametro del reattore pari a 5 cm)
 Si diagrammi il profilo di temperatura e di conversione nel PFR non isolato (si assuma
che il coefficiente globale di scambio sia pari a 10 W/m2 K e che la temperatura esterna
sia pari a 27 °C)
 Il volume di CSTR necessario per condurre la reazione adiabaticamente
Sono disponibili i seguenti dati
cpA=12 J/mole K; cpB=10 J/mole K; cpI=15 J/mole K (calori specifici)
Il calore di reazione varia con la temperatura, il suo valore a 300 K (-HR)= -75000 J/mole A
Costante cinetica (funzione della temperatura) della reazione diretta: a 300 K k 1=0,217 min-1 a
340 K 0,324 min-1. Costante di equilibrio a 300 Kc =70000 (conc. in moli/l)
1 hp=2545 BTU/h