cap´ıtulo 7 patrones no-ideales de flujo - portal iq …fernando/abc_reactores/presentaci... ·...
TRANSCRIPT
![Page 1: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/1.jpg)
Capıtulo 7
Patrones No-Idealesde Flujo
Dr. Fernando Tiscareno LechugaDepartamento de Ingenierıa Quımica
Instituto Tecnologico de Celaya
![Page 2: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/2.jpg)
Introduccion
�Modelos para flujo “real”•Distribucion de tiempos de residencia (Datos)
•Dispersion axial (DL)
•Tanques agitados en serie (n)
� 6= Tapon: Flujo laminar (0 parametros)
�Datos experimentales especıficos:¡imprescindible!•DL y n V Optimizacion de 1 parametro
• ¿Vale la pena “complicar” los modelos continuosideales? V Incertidumbres de los parametros
(incluyendo los cineticos)
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p2
![Page 3: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/3.jpg)
Continuo de Tanque Agitado
Alimentación
Producto����������� �������������� ����� ��������������� ����! ���"����������#��$��%�& �����'� � ����$�������$��
()�*� ��,+-����./��������0+1����������32'�4������� � ����� �5��$������6�-�����$�����
78����#'9 �:���;� �� � & �������$�� <%�=�����& ����$�� ��>���@?
AB����� ���:�� ��������� C����$�����$���� ����$��%���������� & �������
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p3
![Page 4: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/4.jpg)
Tubular
�Desviaciones de la suposicion “tapon”•Efectos de los extremos◦ Turbulencia (6= Re↑)◦ Zonas muertas
◦ Distribuidores (Manifold)
•Perfiles “desarrollados”◦Mezclado axial y radial (turbulencia)
◦ Pelıcula en la pared del tubo
◦ Flujo laminar (¡que es un modelo ideal!)
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p4
![Page 5: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/5.jpg)
Lecho Empacado
�Desviaciones de la suposicion “tapon”•Cambios de direccion al sortear el catalizador◦Mezclado al encontrarse elementos con diferentes trayectorias
•Empacado no-uniforme, εB
◦ Proximidad a la pared > Resto
• ¿∆P? ¿Canalizacion? ¿dP uniforme? ¿dP/D?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p5
![Page 6: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/6.jpg)
Datos Dinamicos
�Trazador•No se degrada o reacciona, inocuo y barato
•Facil de cuantificar◦ Espectrofotometro, conductımetro (pH), cromatografo,...
◦ Tecnicas gravimetricas o volumetricas
• ¿Componente radioactivo? Sı pero...
•Adquisicion en lınea◦ OK, pero ¡verificar el tiempo de respuesta!
• ¿Concentracion del trazador?◦ No saturar el detector
◦ ¿Lımites de deteccion e incertidumbres del analisis?
◦ Evitar maximos o mınimos en curvas de calibracion
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p6
![Page 7: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/7.jpg)
Datos Dinamicos
�Perturbaciones•Mas comunes y faciles de analizar:
•Funcion Escalon
•Funcion Pulso
• ¿Como realizar dichas perturbaciones? ¿Trivial?◦ ¡No se deben afectar los perfiles de velocidad!
◦ ¿Pulso para tanque agitado o tubular? ¿Mezclado del trazador?
◦ ¿Escalon? ¡Difıcil hacerlo bien!
� Perturbacion V Detector a la salida
V Curva de Calibracion V Respuesta: Ctrazador
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p7
![Page 8: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/8.jpg)
Datos Dinamicos
�Respuestas•Obtenerlas a condiciones de operacion
•De ser posible: ¡reaccionando!
•Tiempo de Residencia
◦ Para lıquidos: t = VR
V0◦ Para gases:
t =
∫ VR
0
dVR
V
¿Trivial? ¡NO!V Resto de la discusion: fase lıquida
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p8
![Page 9: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/9.jpg)
Tubular
����� ������ � � � � � �� ����� ���������
�
� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
����� ������ � � � � � �� ����� ���������
�
� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
∆ t
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p9
![Page 10: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/10.jpg)
Tanque Agitado
����� ������������ �������������
���
� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
����� �"!#%$ &('*),+-�/.�0 � �21
0.631 6= 0.618 (Seccion dorada)
������������ � � � � � �� ����� ��������
��
� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
∆ t
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p10
![Page 11: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/11.jpg)
Distribucion de Tiempos de Residencia
�Funciones de Probabilidad•Funcion acumulada, pt(t)◦ Es una fraccion y representa la probabilidad de que un elemento
de volumen que entra con la alimentacion cruce el plano de lasalida del reactor en un tiempo igual o menor a t
◦ pt(0) = 0, y pt(∞) = 1
•Distribucion, Dpt(t) = d[pt(t)]dt
◦ El area bajo su curva representa la probabilidad de que el elementode volumen salga entre los lımites de tiempo seleccionados
◦ Debe estar “normalizada” la distribucion:∫∞0 Dpt(t) dt = 1
�Aun en estado estacionario, estas funciones ¡cambian!
pero...c©Dr. Fernando Tiscareno L./p11
![Page 12: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/12.jpg)
Distribucion de Tiempos de Residencia
•Tiempo de residencia experimental (gases o lıquidos)
t =
∫ ∞
0
tDpt(t)dt =
∫ 1
0
td[pt(t)] (7.1)
•Obtencion de las funciones:
◦ Funcion escalon:
pt(t) =C − C0
C+ − C0(7.2)
◦ Funcion pulso: Para una funcion pulso:
Dpt(t) =C − C0∫∞
0 (C − C0) dt(7.3)
◦ ¿Que es el termino en el numerador de la Ecuacion 7.3?
◦ NOTA: La derivacion numerica es poco confiable
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p12
![Page 13: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/13.jpg)
Ejemplo 7.1Operacion estable con C0 = 0.122 MPerturbacion escalon con C+ = 0.548 M
t, s 10 20 30 45 60 90 120 200 400 1000C, M 0.126 0.143 0.207 0.314 0.378 0.484 0.505 0.527 0.544 0.547
a) Obtenga pt(t)b) Polinomio de orden 4c) t por trapeciosd) t con el polinomio
• a) De los datos V Funcion acumulada; ¿Por que?
pt(t) =C − C0
C+ − C0=
0.126− 0.122
0.548− 0.122= 0.0094
t, s 0 10 20 30 45 60 90 120 200 400 1000pt(t), M 0.0000 0.0094 0.0493 0.1995 0.4507 0.6009 0.8498 0.8991 0.9507 0.9906 0.9977
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p13
![Page 14: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/14.jpg)
Ejemplo 7.1 (Continuacion 1)
• b) Polinomio de 4o orden
�����
�����
�����
�����
� ��� ��� ��� ��� �����
���� ��
��������� �"!#
¿Predice los datos? ≈; ¿y para interpolar?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p14
![Page 15: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/15.jpg)
Ejemplo 7.1 (Continuacion 2)
•Dos ajustes parcialesDatos: Polinomio t ≤ 90s y logarıtmica t ≥ 60s
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 .0
0 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00
p �(t)
Tiempo, s
��������� ���������������������� � ��!"�$#%����
A j u s t e a c u r v a l o g a r í t m i c a
• Ecuaciones acotadas a regiones:pt(t) = −0.005989− 0.00234 t + 0.0003846 t2 − 2.816× 10−6 t3
pt(t) = 0.28157 + 0.26245 log(t)
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p15
![Page 16: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/16.jpg)
Ejemplo 7.1 (Continuacion 3)
• c) Integrando por trapecios: t ≈ 70.7s ¿cual es x? ¿cual es y?
t =
∫ 0.9977
0
td[pt(t)]
≈ (t1 + t2)
2· [pt(t)2 − pt(t)1] +
(t2 + t3)
2· [pt(t)3 − pt(t)2] + . . . +
(tn−1 + tn)
2· [pt(t)n − pt(t)n−1]
≈ (0 + 10)
2· [0.0094− 0] +
(10 + 20)
2· [0.0493− 0.0094] + . . . +
(400 + 1000)
2· [0.9977− 0.9906]
•No podemos utilizar∫
td[pt(t)] V t =∫∞0 tDpt(t)dt
• Derivamos analıticamente
Dpt(t) = −0.00234 + 0.0007692 t− 8.448× 10−6 t2 Dpt(t) = 0.11398t
• ¿Y los lımites de integracion?V [pt(t)]A = 0; [pt(t)]A− [pt(t)]B = 0 y [pt(t)]B = 1
Las curvas se cruzan en t = 72.1 s y t = 98.4 s; ¿Cual?
t =
∫ 72.1
8.45
t (−0.00234 + 0.0007692 t− 8.448× 10−6 t2)dt +
∫ 546.2
72.1
t
(0.11398
t
)dt
• t ' 86.9 s ¿Y la normalizacion?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p16
![Page 17: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/17.jpg)
Modelo de Flujo Segregado
•Basado en Distribucion de Tiempos de Residencia
•∑ reactorcitos-por-lotes infinitesimales e independientes
•Una reaccion lıquida y cineticas “integrables”
frl =∫∞0 Dpt(t) frl(t)dt =
∫ 10 frl(t)d[pt(t)] (7.4)
•Cineticas complejas y/o varias reacciones lıquidasdCi
dt= (+ri) (4.8)
dCi
dt= Dpt(t) Ci (7.5)
◦ 2× nrxn ODEs simultaneas (mınimo)
◦ Integrar de t = 0 hasta t = ∞◦ ¡Error conceptual comun: Efluente puede evaluarse con t!
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p17
![Page 18: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/18.jpg)
Modelo de Flujo Segregado
• ¿Fase gaseosa?
◦ Si∑6= 0 la extension no es directa
◦ En fase lıquida, puede ser OK datos sin reaccionPara gases, en los experimentos para Dpt(t)¡debe existir la expansion!
◦ Considerar reactorcitos-por-lotes de volumen variable◦ Suponiendo condiciones isotermicas e isobaricas
dξr
dt= r r
(RT
P
)(nT 0 +
nrxn∑r=1
(∑
νj)r ξr
)(7.6)
Ci =yi P
RT=
P
RT
(ni0 +
∑nrxnr=1 νir ξr
nT 0 +∑nrxn
r=1 (∑
νj)r ξr
)(7.7)
◦ ¿Y nT porque para reactores continuos? V Seleccionar B.C.
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p18
![Page 19: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/19.jpg)
Modelo de Flujo Segregado• ¿Operacion no-isotermica?
◦ Posible si conociesemos T = F(t) para los reactorcitos
◦ Si tα = tβ
αβ
αβ
����� � ������
���
αβ
αβ
a) Caso isotérmico:
b) Caso no-isotérmico:
¿fα = fβ?
• ¿Si P 6= Cte?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p19
![Page 20: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/20.jpg)
Ejemplo 7.2Reactor continuo en fase lıquida
2 A� B r1 = k1 C2A − k
′1 CB
2 B → Subproductos r2 = k2 CB
Dpt(t) =
{0.01334 t− 8.89× 10−4 t2 + 1.48× 10−5 t3 si 0 ≤ t ≤ 30 min
0 si t > 30
¿fA y SA B?
a) Modelo de flujo segregadob) Flujo taponc) Continuo de Tanque Agitado (Ideal)
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p20
![Page 21: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/21.jpg)
Ejemplo 7.2 (Continuacion 1)
• a) Ecuaciones diferenciales ordinarias simultaneas(¿hasta t = ∞ o 30 s?)
dCA
dt= −2 k1 C2
A + 2 k′1 CB
dCB
dt= k1 C2
A − k′1 CB − 2 k2 CB
dCA
dt= (0.01334 t− 8.89× 10−4 t2 + 1.48× 10−5 t3) CA
dCB
dt= (0.01334 t− 8.89× 10−4 t2 + 1.48× 10−5 t3) CB
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
0 5 10 15 20 25 30
Con
cent
raci
ón, M
Tiem po, m in
CA
CB
CA
CB
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p21
![Page 22: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/22.jpg)
Ejemplo 7.2 (Continuacion 2)
• CA = 0.613 M y CB = 0.416 M
fA = CA0−CACA0
= 0.639 y SB = 2 CB
CA0−CA= 0.784
• Para (b) y (c) necesitamos t
t =
∫ 30
0
(0.01334 t− 8.89× 10−4 t2 + 1.48× 10−5 t3) tdt +
∫ ∞
30
(0) tdt = 11.97 min
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 5 10 15 20 25 30
Dp t(t
) pt (t)
Tiem po, m in
TiempoPromedio
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p22
![Page 23: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/23.jpg)
Ejemplo 7.2 (Continuacion 3)
• Flujo Segregado: CA = 0.613 M, CB = 0.416 M, fA = 0.639 y SB = 0.784
• b) Del inciso (a) para τ = t = 12 min, CA = 0.545 M y CB = 0.460 M
[fA]Piston = 0.674 y [SB]Piston = 0.797
• c) Tanques agitados
τ =CA0 − CA1
2 k1 CA21 − 2 k′1 CB1
τ =CB1
k1 CA21 − k′1 CB1 − 2 k2 CB1
Para τ = 12 min, CA1 = 0.693 M y CB1 = 0.257 M
[fA]Tanque Agitado = 0.592 y [SB]Tanque Agitado = 0.510
• ¿A cual de los modelos ideales se asemeja mas el reactor real?
•OJO: Flujo segregado 6= [Tapon]τ=t ¿Cuando seran iguales?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p23
![Page 24: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/24.jpg)
Flujo Laminar• De bases en Fenomenos de Transporte:
v(r) = vmax
[1−
(rR
)2]vmax = 2 v = 2 V0
πR2
• Tiempo que salga los elementos a cada r
t =L
v=
L
2 v[1−
(rR
)2] =t
2[1−
(rR
)2]• [t]r=0 = t
2, Despejando
r = R
√1− t
2 t(7.9)
• ¿t < t2?, Derivando
dr =
[1− t
2t
]−0.5(R t
4 t2
)dt (7.9)
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p24
![Page 25: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/25.jpg)
Flujo Laminar
• Estamos tras pt(t)
◦ Si r ↑ V t ↑, tmin = [t]r=0 y tmax = [t]r=R = ∞◦ Conforme r ↓ aumenta la frecuencia con que entran y salen elementos con ese r
◦ Conforme r ↑ hay “mas” elementos de que entran y salen con ese t
pt(t) =
∫ r0
1t 2πrdr∫ R
01t 2πrdr
=
∫ r0 t−1 rdr∫ R0 t−1 rdr
• ¿Por que 1t? ¿Por que 2πrdr?
• Sustituyendo dr = F(t), ¡notar los nuevos lımites para la integracion!
pt(t) =
∫ tt2
R2t4t3
dt∫∞t2
R2t4t3
dt=
∫ tt2t−3dt∫∞
t2
t−3 dt=
[t−2
−2
]tt2[
t−2
−2
]∞t2
=4t 2 − 1
t2
4t 2 − 1
∞
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p25
![Page 26: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/26.jpg)
Flujo Laminar
• Funcion acumulada:
pt(t) = 1−(
t
2 t
)2
(7.11)
•Distribucion:
Dpt(t) =t2
2 t3(7.12)
•Muy importante: ¡aplicables solo para t2 < t < ∞!
Las ecuaciones “cineticas” deben integrase desde t = 0, ¿por que?
• Error conceptual grave asociado a LECHOS EMPACADOS
“Aunque los flujos sean muy pequenos, si se tiene un reactortubular empacado no sera adecuado suponer flujo laminar en la
direccion radial del reactor”
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p26
![Page 27: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/27.jpg)
Modelo de Dispersion Axial
πR2
[−DL
dCi
dz
]z
+vπR2 [Ci]z−πR2
[−DL
dCi
dz
]z+∆z
−vπR2 [Ci]z+∆z+r i πR2 ∆z = 0
• Es mezclado pero se trata como difusion, DL
DLd2Ci
dz2− v
dCi
dz+ r i = 0 (7.12)
• ¿Y si fuera lecho empacado?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p27
![Page 28: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/28.jpg)
Dispersion Axial: Primer Orden
• Para Z = z/L y r = k Crl
DL
v L
d2Crl
dZ2− dCrl
dZ− k1
L
vCrl = 0
• Solucion general para a y′′ + b y′ + c = 0
Crl = c1 e[
1+β2
(vLDL
)Z]+ c2 e
[1−β
2
(vLDL
)Z]
β =
√1 + 4k1
(DLvL
) (Lv
)• Numero de Peclet: Pe ≡ vL
DL, ¿Que representa?
• ¿Opciones para C.F.? ¿para dispersiones moderadas?
• Danckwerts obtuvo soluciones analıtica:C.F: Crl − DL
vLdCrldZ = Crl0 en Z = 0 y dCrl
dZ = 0 en Z = 1
Crl
Crl0
= 1− frl =4β
(1 + β)2e−(1−β)Pe
2 − (1− β)2e−(1+β)Pe
2
(7.14)
• Conversion a la salida, ¡no representa al perfil!
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p28
![Page 29: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/29.jpg)
Entendiendo las C.F.
ENTRADA
• Crl − DLvL
dCrldZ = Crl0 implica DISCONTINUIDAD, es decir,
[Crl]Z→0+ 6= Crl0
• Interpretacion: ¿Mezclado justo DESPUES de la entrada pero no EN?
• Esta discontinuidad ⇒ Tanque Agitado cuando DL →∞
SALIDA
• ¿dCrldZ = 0? ¿No-rxn y/o no-mezclado?
• Explicacion de Danckwerts: a la salida sı debe existir continuidad
• Para que [Crl]Z→1− = Crlsalida, concluye que dCrldZ = 0
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p29
![Page 30: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/30.jpg)
Dispersion Axial: 6= Primer Orden
• Para cineticas complejas o varias reacciones
DLd2Ci
dz2− v
dCi
dz+ r i = 0 (7.12)
• Segundo V ODEs Primer OrdendCi
dz= Yi (7.15)
dYi
dz=
v Yi − r i
DL(7.16)
•Metodo de disparo recomendado:
◦ Suponer [Ci]Z=1 sabiendo que ademas [Yi]Z=1 = 0
◦ Integrar de la salida a entrada
◦ Comprobar convergencia: ¿[Crl]Z=0 − DLvL
[dCrldZ
]Z=0
= Crl0?
• ¿Cuantas ecuaciones? ¿1 × rxn? ¿1 × iinterviene en cineticas?
• ¿Cuantos valores de DL? ¿Por que?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p30
![Page 31: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/31.jpg)
Ejemplo 7.3
2 A → B Segundo orden
V0 = 15lts , y CA0 = 0.8 M
Reactor empacado: VT = 5,000 lt, εB = 0.45 y ρB = 0.8 gcm3
I.D. = 88 cm y DL = 500 cm2
sa) rcatalıticaV rhomogenea y [fA]Pistonb) [fA]Dispersion
• Equivalente a “‘volumen de reactor”
VR = VT εB = 5000 lt× 0.45volumen vacıo intergranular
volumen del recipiente= 2, 250 lt
• Catalıtica V homogenea
(−rA) =ρB
εB2 rP = 2×
0.8 gcm3 lecho
× 1000cm3
lt
0.45 cm3 vacıocm3 lecho
× 8.7× 10−6 lt2
mol g sC2
A
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p31
![Page 32: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/32.jpg)
Ejemplo 7.3 (Continuacion 1)
• Velocidad en la cama, 6= v0
v =V0
Area transversal vacıa=
15 lts × 1000cm3
lt
0.45 π (88 cm)2
4
× m
100 cm= 0.055
m
s
• Longitud del reactor
L =VT
π (Dinterno)2
4
=5, 000 lt× 1000cm3
ltπ (88 cm)2
4
× m
100 cm= 8.22m
• Sustituyendo ¿... +0.03093 ...?
dCA
dz= Y en unidades de
mol
m ltdY
dz=
0.055 ms Y + 0.03093 lt
mol s C2A
500 cm2
s × m2
10,000cm2
• ¿C.F. y metodo?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p32
![Page 33: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/33.jpg)
Ejemplo 7.3 (Continuacion 2)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Flujo Tapón
CA
, M
Longitud de Reactor, m
∞
0.005
0.05
0.5
5
Coef. Dispersión, m2/s
• Convergencia: CAZ = 1 = 0.2034 M
• Notese la discontinuidad y aunque se fijo [YA]Z = 1 = 0,
se “aprecia” cierta pendiente cuando z → L− y DL → 0
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p33
![Page 34: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/34.jpg)
Ejemplo 7.3 (Continuacion 3)
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8
∞
YA
, M/m
Longitud de Reactor, m
0.005
0.05
0.5
5
Coef. Dispersión, m2/s0.001
• Notar que se cumple [YA]Z = 1 = 0
• Conforme se aproxima a flujo tapon[
d2CAdz2
]Z → 1
⇒∞
y se tendran problemas numericos; ¿importa?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p34
![Page 35: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/35.jpg)
Estimacion de DL
• Algunas correlaciones V
Levenspiel, “Chemical Reaction Engineering,” 3a. Edicion, Wiley (1999) p309-311.
• Evaluacion propia: Escalon con C0 = 0
pt(t) =C
C+(7.17)
•Modelo dinamico para Trazador (Obvio: sin rxn)
DL∂2C
∂z2− v
∂C
∂z=
∂C
∂t(7.18)
• C.I. y abiertas, ¿validas? ¿abiertas? ¿semi-abiertas? ¿otras posibles?
C = C+ para t = 0 y z < 0 (1)
C = 0 para t = 0 y z > 0 (2)
C = 0 para z = +∞ y t ≥ 0 (3)
C = C+ para z = −∞ y t ≥ 0 (4)
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p35
![Page 36: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/36.jpg)
Estimacion de DL
• Cambio de variable para solucion: α ≡ z−v t√4 DL t
(7.19)
d2C
dα2− 2α
dC
dα= 0 (7.20)
• y′′+f (x)y′+g(x) = 0V buscar 2 soluciones particulares independientes
• Condiciones equivalentes: y (3) V (1’); (2) y (4) V (2’)
C = 0 para α = +∞ (1’)
C = C+ para α = −∞ (2’)
• ¿Ventajas de cambio de variable? ¿Implicaciones de “abiertas”?
• Solucion aplicada a L
pt(t) =1
2
1− fer
√Pe
2· 1− t/(VR/V0)√
t/(VR/V0)
(7.21)
• ¿Que es fer(x)? ¿fer(0)? ¿fer(-x)? ¿fer(∞)? ¿d[fer(x)]/dt?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p36
![Page 37: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/37.jpg)
Estimacion de DL
• ¿Como aplicamos la Ecuacion 7.21 con mınimos cuadrados?
Min∑
[pt(t)exp − pt(t)
est]2
•Metodo de la pendiente: Derivando Ecuacion 7.21{d[pt(t)]
dt
}t=
VRV0
=1
2× VR
V0
√vL
πDL
• ¿Ventajas y desventajas del Metodo de la Pendiente?
• Otros: Metodo de la Variancia, Dpt(t) ≈ Curva Normal
Ver: C.G. Hill, Jr., “An Introduction to Chemical Engineering Kinetics & Reactor
Design,” Wiley (1977)
• ¡Seleccionar cuidadosamente los datos respecto a t para evitar un
ajuste tendencioso! What’s that?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p37
![Page 38: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/38.jpg)
Tanques Agitados en Serie• El modelo mas facil de visualizar y es aplicable a tanto a tubulares
como tanques agitados
(VR)c/reactor del modelo = VRn tc/reactor del modelo = t
n
• B.M. Dinamico para el trazador en segmento κ
V0 Cκ−1 − V0 Cκ =VR
n· dCκ
dt
• Para un escalon y κ = 1: [C0]todo t = C+ y [C1]t=0 = 0
C1
C+= 1− e−nt/t
• Para κ = 2 y κ = 3: C1 = F(t) y [C2]t=0 = 0; C2 = F(t) y [C3]t=0 = 0
C2C+
= 1− e−nt/t[1 + nt
t
]C3C+
= 1− e−nt/t[1 + nt
t+ 1
2
(ntt
)2]
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p38
![Page 39: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/39.jpg)
Tanques Agitados en Serie• Generalizando y notando que pt(t) = Cn/C+
pt(t) = 1− e−nt/t
[n∑
κ=1
1
(κ− 1)!
(nt
t
)κ−1]
(7.25)
• Derivandola {d[pt(t)]
dt
}t=t
=nn e−n
t (n− 1)!(7.26)
• OJO: n debe ser ENTERO
• ¿Podemos aplicar Metodo de la Variancia o Mınimos Cuadrados?
• ¿Y si los datos son de un PULSO?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p39
![Page 40: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/40.jpg)
Extension a Fase Gaseosa
• Si V ≈ Cte., aplicacion directa
• Datos dinamicos deben obtenerse con REACCION
◦ Dinamicos respecto al trazador, en E.E. respecto a la reaccion
• ¿Se podrıan desarrollar solucion analıticas equivalentes a las Ecua-
ciones 7.21 y 7.25?
• ¿Que tipo de problema numerico representa la optimizacion?
• ¿Es posible resolverlo?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p40
![Page 41: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/41.jpg)
Comparacion entre los Modelos
�����
�����
�����
�����
�����
���
����� ����� ��� ��� �����
p ( t )
t / t
������������������� �
�!�"�#�$��%'& ()�*�+&-,
/. & �101�3254�67�"�8&�9+�
�:2;#<-<-<;#<-<;#<;
�=>;#?
@"ACB#DFEFG3H8B IKJ
@*ACB ELGMHNB J∞∞∞∞ ∞∞∞∞
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p41
![Page 42: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/42.jpg)
Ejemplo 7.4: Retoma Ejemplo 7.1
Operacion estable con C0 = 0.122 M
Perturbacion escalon con C+ = 0.548 Mt, s 10 20 30 45 60 90 120 200 400 1000
C, M 0.126 0.143 0.207 0.314 0.378 0.484 0.505 0.527 0.544 0.547
Optimice Pe y n
• Comparando datos con Figura 7.12, t ≈71 s
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 .0
0 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00
p �(t)
Tiempo, s
��������� ���������������������� � ��!"�$#%����
A j u s t e a c u r v a l o g a r í t m i c a
�����
�����
�����
�����
�����
���
����� ����� ��� ��� �����
p ( t )
t / t
������������������� �
�!�"�#�$��%'& ()�*�+&-,
/. & �101�3254�67�"�8&�9+�
�:2;#<-<-<;#<-<;#<;
�=>;#?
@"ACB#DFEFG3H8B IKJ
@*ACB ELGMHNB J∞∞∞∞ ∞∞∞∞
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p42
![Page 43: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/43.jpg)
Ejemplo 7.4 (Continuacion 1)
• Se trata de la funcion acumulada de probabilidad, ¿que ecuaciones?
• De la comparacion V Aprox. Iniciales Pe=5 y n=3
pt(t) Error2
t, s Experimental Pe = 5 n = 3 Pe = 5 n = 3
10 0.0094 0.0001 0.0092 0.000086 0.000000
20 0.0493 0.0162 0.0541 0.001096 0.000023
30 0.1995 0.0801 0.1355 0.014256 0.004096
45 0.4507 0.2335 0.2967 0.047176 0.023716
60 0.6009 0.3949 0.4652 0.042436 0.018414
90 0.8498 0.6465 0.7316 0.041331 0.013971
120 0.8991 0.7994 0.8812 0.009940 0.000320
200 0.9507 0.9565 0.9903 0.000034 0.001568
400 0.9906 0.9990 1.0000 0.000071 0.000088
1000 0.9977 1.0000 1.0000 0.000005 0.000005∑0.1564 0.0622
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p43
![Page 44: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/44.jpg)
Ejemplo 7.4 (Continuacion 2)
• Se trata de la funcion acumulada de probabilidad, ¿que ecuaciones?
�������
�������
������
������
����� �
�������
�������
� � � � � �
� �������
Pe
ΣΣ ΣΣ
n∑
Error2
1 0.1001
2 0.0416
3 0.0623
4 0.0924
5 0.1218
6 0.1487
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p44
![Page 45: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/45.jpg)
Ejemplo 7.4 (Continuacion 3)
• Comparacion final OJO: No se incluyen datos para t > 200 s
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 .0
0 5 0 1 00 1 5 0 200
P e = 3 .2n = 2
p �(t)
Tiempo, s
• ¿Cual es mejor? ¿Por que resulto pobre el ajuste con dispersion?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p45
![Page 46: Cap´ıtulo 7 Patrones No-Ideales de Flujo - Portal IQ …fernando/ABC_Reactores/Presentaci... · 2017-01-31 · Evitar maximos o m´ınimos en curvas de calibracion ... Au´n en](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022013016/5badd7ef09d3f253098c0071/html5/thumbnails/46.jpg)
Recapitulacion
• Existen otros modelos reportados
• Flujo segregado: Reactorcitos-por-lotes con Dpt(t)
• Dispersion: Un parametro DL
◦ Como “difusion” pero representa mezclado
◦ Se pueden emplear metodos numericos para otras C.F.
• Tanques agitados: Un parametro n
◦ Optimizacion entera
• Es muy riesgoso utilizar polinomios sin verificar su comportamiento
en el rango de interes (No solo para reactores)
• ¿Orden en la dificultad para adaptarlos a fase gaseosa?
c©Dr. Fernando Tiscareno L./p46