Esercizi reattori non risolti PDF

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Esercizi reattori non corretti 1. La decomposizione del protossido di azoto 2 N2 O → 2 N2 + O2 e` una reazione del 2◦ ordine. La reazione inversa e` trascurabile. A 895 ◦ C, k = 0.977 l/(moli·s). Se in un reattore batch abbiamo inizialmente N 2 O puro alla pressione di 1 atm e alla temperatura di 895 ◦ C, calcolare il tempo richiesto per la decomposizione del 90% dell’N2 O. 2. Un composto A si decompone con una cinetica del I ordine e in un reattore batch il 50% di A viene trasformato in 5 minuti. Quanto tempo occorrerebbe per avere una conversione del 75%? Ripetere i conti per una reazione del 2 ◦ ordine. 3. La reazione in fase liquida A → B avviene con cinetica del1 ◦ ordine con k =10 h−1. Se si alimenta un CSTR con una portata Q = 100 l/h in cui la concentrazione di A e` CA0 = 1.5 moli/L, calcolare il volume del reattore necessario affinché ci sia una conversione dell’80% del reagente A. 4. La reazione elementare: k1

A+B

C+D k-1

con k1=7 l/(mol*min), k-1=3 l/(mol*min) avviene in fase liquida in un CSTR di 120 litri. Il reattore è alimentato separatamente con eguali portate volumetriche da due correnti, una contenente 2.8mol/l di A e l’altra contenente 1.6 mol/l di B. Calcolare la portata volumetrica delle singole correnti sapendo che si desidera una conversione del 75% nel componente limitante B. Si assuma la densità costante e condizioni stazionarie. 5. In un reattore batch avviene la reazione in fase liquida 2A B con una cinetica del secondo ordine rA= –kcA2. Il volume del reattore è di 300 lt e inizialmente contiene una soluzione di A con concentrazione CA0=1.5 moli/lt. Sapendo che dopo 3 ore si sono formate 202.5 moli di B, calcolare la costante cinetica k. 6. Un prodotto P può essere ottenuto utilizzando due reazioni diverse. La prima reazione, a partire da un reagente A, è irreversibile segue una cinetica del secondo ordine 2AP con k = 0.1 lt/(moli·min). La seconda reazione, a partire da un reagente B, è reversibile e segue una cinetica del primo ordine sia per la reazione diretta sia per l'inversa: B = P con k1= 0.2 min–1 e k2= 0.1 min–1. Si dispone di un reattore CSTR del volume di 100 lt, di una soluzione 2 moli/lt di A e di una soluzione 1.5 moli/lt di B. Affinché il recupero del prodotto dalla corrente in uscita dal reattore sia conveniente, la concentrazione di P deve essere almeno di 0.5 moli/lt. Per quale delle due reazioni si ha la maggiore produttività (il maggior numero di moli/min di P)? 7. In un reattore batch avviene la seguente reazione elementare: A+C B + C con r1 k1CACC dove C è un catalizzatore che va incontro contemporaneamente a una reazione irreversibile che lo degrada in una forma "inattiva" D: C D con r2 k2CC.

Sapendo che al tempo t=0 la concentrazione di A è CA0 0.3 moli/lt e quella di C è CC0 10-3moli/lt, che le costanti cinetiche sono k1 30lt/(moli·min) e k2 0.01min -1, determinare l'andamento nel tempo della concentrazione di A e la sua conversione dopo 5 ore. 8. Un reattore batch a perfetta miscelazione è sede di due reazioni in parallelo: A B A C La prima reazione segue una cinetica del primo ordine con costante k 1 (sec-1), mentre la seconda segue una cinetica di ordine zero con costante k2 (moli cm-3 sec-1). Determinare le espressioni analitiche degli andamenti delle concentrazioni di A, B e C nel tempo e tracciare dei diagrammi qualitativi. 9. Un CSTR è alimentato con una soluzione acquosa di un composto A che reagisce all ’interno del reattore con una cinetica del primo ordine AP. Il reattore funziona normalmente in condizioni stazionarie. Improvvisamente, a causa di un guasto, viene alimentata al reattore solo acqua. Calcolare dopo quanto tempo la concentrazione residua di A scende del 10% rispetto al valore in condizioni normali di funzionamento. Dati: portata di alimentazione Q = 0,5 lt/min; volume del reattore V = 100 lt; concentrazione di A nell’alimentazione c0 = 0,2 moli/lt; costante cinetica del primo ordine k = 0,01 1/min. 10. Una corrente liquida (a densità indipendente dalla composizione) contenente 2moli/lt di un reagente A viene alimentata in condizioni stazionarie ad un CSTR di 10 lt. Nel CSTR avviene la reazione A+B2B, con cinetica rA = -kCACB dove k = 2lt/mol min). 1. Come varia la concentrazione di A nella corrente di uscita al variare della portata volumetrica Q? 2. Qual è il massimo valore possibile di Q perché avvenga la reazione? 3. E’ possibile far svolgere questa reazione in un PFR? 11. In un fermentatore a perfetta miscelazione del volume di 10 litri avviene la crescita di biomassa X a spese del substrato S (SX). La cinetica di crescita è modellata secondo l’equazione: rX=k•CS•CX [=] g biomassa/litro/ora CS [=] g/litro, CX [=] g/litro Dove k=1ora-1•l•g-1. La portata sterile in ingresso (no X) è di 10 litri/ora con una concentrazione di substrato 10 g/l. Valutare la portata di biomassa all’uscita del reattore. 12. In un reattore a perfetta miscelazione avviene la reazione di produzione di un farmaco P ad opera di un microrganismo X. Si è individuato in S il substrato limitante S convertito nel farmaco suddetto mediante la reazione YP/S S→P (YP/S = 0.5 ) la cui cinetica di reazione può essere schematizzata come segue: CS rS  rS ,max KS  CS il processo opera nelle seguenti condizioni: CS0 = 0.8 mM = 2 h rS,max = 1 h-1 KS = 0.2 mM

Valutare quale livello di produzione di P per unità di volume di reattore si ottiene in una configurazione tipo CSTR.

13. In un reattore a perfetta miscelazione del volume di 1 l avviene la conversione di un substrato S in prodotto P secondo la reazione S→P regolata da una cinetica del primo ordine r = k [S] (k=1h-1). Sapendo che la corrente in ingresso contiene S in concentrazione 2 mM, stabilire come varia la produzione di P al variare della portata Q, identificando il valore massimo di produttività. Si determini il valore di portata tale da garantire una produttività pari al 75% di tale valore massimo.

14. Discutere il problema 3) nel caso di cinetica del tipo S r  rM K S  S dove rM = 1 h-1 e KS =1 mM. 5) Si hanno a disposizione due reattori, un CSTR ed un PFR, entrambi da 100 litri attraverso i quali si vuole far avvenire la reazione AB caratterizzata da una cinetica del secondo ordine (rA = k·CA2 con k = 50 h-1·litro/mole) . La portata da trattare è di 1000 litri/h e la concentrazione in ingresso di A è 2 M. Si valuti quale dei due reattori garantisce la maggiore produttività. Si ripeta la valutazione per una cinetica del tipo rA = k·CA0.5 con k = 50 h-1·litro/mole. (suggerimento: nel bilancio di materia sul reattore si esegua la sostituzione CAOUT = 2 )...