reactor es

REACTORES FISICOQUIMICA II

PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 1

REACTORES

Un reactor Químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción

química, estando este diseñado para maximizar la conversión y selectividad

de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada

por una enzima purificada o un organismo que la contiene, se habla se

bioreactores.

Funciones de un Reactor

En la mayoría de los casos, un Reactor tiene tres funciones :

1) Proporcionar el tiempo de residencia.

2)La transmisión de calor.

3)La agitación o mezcla de las fases.



Diseño de un reactor

TIPOS PRINCIPALES DE

REACTORES QUÍMICOS

Se clasifican:

•Por la forma de obtener la producción

•Por la forma de efectuar la reacción química



Por la forma de obtener la producción

◦ Reactores batch

◦ Reactores semicontinuos

◦ Reactores continuos

Reactores de tanque agitado continuo (CSTR)

Reactores tubulares (PFR)

Reactores de lecho móvil

◦ Reactores continuos con recirculación

TIPOS DE REACTORES

Por la forma de obtener la producción

TIPOS DE REACTORES

Reactores batch: Son aquellos que trabajan por

cargas, es decir se introduce una alimentación y se

espera un tiempo dado, que viene determinado por

la cinética de la reacción, tras el cual se saca el

producto.

Reactores semicontinuos: un reactivo puede ser

adicionado cuando la reacción está en proceso.

Reactores continuos: Son todos aquellos que

trabajan de forma continua a) CSTR: supone un flujo de alimentación y salida uniformes y una

agitación perfecta, esto es, en todos los puntos del reactor la

composición y propiedades físicas del fluido son iguales. Por esta

misma razón la corriente de salida tiene la misma composición y

propiedades que el fluido que se encuentra en el interior del

reactor. La operación del CSTR se realiza en condiciones de estado

estacionario, esto es, no hay acumulación dentro del reactor. En esas

condiciones desaparece el término de dependencia con la variable

tiempo.



b) Reactor Tubular: se caracteriza porque el flujo de

fluido a su través es ordenado, sin que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después de aquel, esto es, no hay mezcla en la dirección de flujo (dirección axial). Como consecuencia, todos los elementos de fluido tienen el mismo tiempo de residencia dentro del reactor

c) Reactores de lecho móvil: El lecho de partículas se mueves continuamente del reactor a un recipiente anexo, donde se limpia y regenera el catalizador, cuando este exista. Es un diseño util para procesos en los que hay un gran desprendimiento de calor o reacciones en que se forman productos no deseados que ensucien el catalizador

Continuación….

Reactor batch

Mezcla perfecta

No hay flujo de entrada ni de

salida



Reactor de tanque con agitación contínua (Continuous Stirred Tank Reactor)

CSTR

Mezcla perfecta

Estado estacionario

Reactor tubular (Plug Flow Reactor)

PFR

No hay gradientes

radiales..solo axiales

Estado estacionario



Por la forma de efectuar la reacción química.

TIPOS DE REACTORES

•Reactores homogéneos: tienen una sola fase líquida o gas.

•Reactores heterogéneos: Tienen varias fases, gas-sólido,

liquido-sólido, gas-líquido, liquido-líquido, gas-líquido-sólido.

•Reactores no catalíticos

•Reactores catalíticos

•Reactores catalíticos de lecho fijo

•Reactores catalíticos de lecho fluidizado

•Reactores bioenzimáticos o bioreactores

Reactores ideales Para el diseño de un reactor se establece un modelo teórico para su

desarrollo. A este tipo de reactor se le denomina ideal y establece los

parámetros a groso modo que un reactor debe cumplir.

Dentro de la idealidad existen básicamente tres tipos de modelos de

reactores:

1. Reactores discontinuos (batch)

2. Reactores de tanque con agitación continua (CSTR)

3. Reactores de flujo en pistón (PFR)

En muchas situaciones estos modelos ideales son válidos para casos

reales, en caso contrario se habrán de introducir en los balances de

materia, energía y presión términos que reflejen la desviación de la

idealidad. Por ejemplo, si la variación de las propiedades se debe a

fenómenos de transporte de materia o calor se pueden introducir las

leyes de Fick o Fourier respectivamente



Velocidad de reacción, rj

Se define como la velocidad de formación o

desaparición de la especie j por tiempo por unidad de

volumen.

Se expresa en términos de: la concentración de los

componente, temperatura, presión, tipo de catalizador

(si lo hay)

Es independiente del tipo de sistema de reacción (batch

o continuo)

Es función de la posición desde un punto a otro del

sistema



Modelo Matemático

Se puede controlar ◦ Caudales

◦ Temperatura

◦ Presiones

Estas variables llevan a considerar: ◦ Dimensiones del equipo

◦ Materiales de construcción

◦ Necesidad: calefacción, refrigeración, compresión, etc.

Todo para cumplir con: ◦ Conservación de la materia

◦ Conservación de la energía

◦ Conservación de la cantidad de movimiento



El reactor es un sistema

Balance de moles sobre la especie j en un instante en el tiempo t,

Acumulación = Entradas- salidas + generación

Gj = (-rj )V= generación de j en el reactor

Todas las variables son uniformes a través del volumen del sistema

•Ecuación básica de diseño para la ingeniería de reacciones

químicas



Fogler, H. S., Elements of Chemical Reaction Engineering, 4 th Ed, p. 99

Reactores discontinuos (BATCH)

Ecuación de diseño en reactores Batch

No tiene entrada ni salida de reactantes o productos

Acumulación = generación

Integrando



Continuación…

Ecuaciones de diseño, en función de la

conversión

CONTINUACIÓN…..

Moles de A que permanecen en el reactor

después de un tiempo t, NA

Si V= V0(1+εAXA) donde

εA = coeficiente de expansión

Cuando es una reacción en

estado gaseoso se introduce el

coeficiente de expansión



Si se sabe cual es el orden de reacción se

puede sustituir rA en la ecuación anterior

por la correspondiente ecuación de

velocidad.

Ejemplo

Consideremos la reacción exotérmica en fase gaseosa

A 4 R

a)Calcular el factor de expansión

b) Volver a calcular el factor de expansión si al principio

está presente un 50% de inertes

moles de entrada= 1A+1Inertes=2 moles de salida= 4R+1inertes= 5



Ecuaciones de diseño para sistemas a flujo

Donde

FA = Velocidad de flujo molar para el cual A sale del sistema

(moles/tiempo) ó (mmoles/tiempo)

FA0 = Velocidad de flujo molar para el cual A es alimentado al

sistema (moles/tiempo) ó (mmoles/tiempo)

FA0 XA = Velocidad de flujo molar para el cual A se consume en

el sistema. (moles/tiempo) ó (mmoles/tiempo)

Reactor de tanque agitado CSTR

FA0 ;FA = moles de A que entran y salen del sistema por unidad de

tiempo

TE ; Ts = temperatura de entrada y salida del sistema

CA0 ; CA = concentración de A en la corriente de entrada y salida



Continuación…

Acumulación = Entradas- salidas + generación

Ejemplo: En un reactor de 0.1L cuya

concentración inicial de A es 100 mmol/L se

obtuvieron los siguientes datos

QA (L/hr) CA (mmol/L)

30.0 85.7

9.0 66.7

3.6 50.0

1.5 33.0

a) Calcular el orden de reacción

b) ¿Cuál es el volumen del reactor si la conversión es de 0.5?



Solución

Qa (L/hr) CA(mmol/hr) XA rA (mmol/L hr) ln CA ln rA

30 85,7 0,143 4290 4,4509 8,3640

9 66,7 0,333 2997 4,2002 8,0054

3,6 50 0,500 1800 3,9120 7,4955

1,5 33 0,670 1005 3,4965 6,9127

y = 1.539x + 1.5154

R² = 0.9979

0.0000

1.0000

2.0000

3.0000

4.0000

5.0000

6.0000

7.0000

8.0000

9.0000

3.0000 3.2000 3.4000 3.6000 3.8000 4.0000 4.2000 4.4000 4.6000

ln r

A

ln CA

Pendiente= n= 1.5

Considerando la expansión n= 2

b)

Ejemplo

En un reactor CSTR entra continuamente una corriente A de un hidrocarburo de peso

molecular elevado y se somete a craqueo térmico a temperatura elevada ( reacción

homogénea en fase gaseosa ) dando una serie de sustancias de peso molecular más bajo,

que englobamos en la denominación general R.

La estequiometría se aproxima a A------ 5R

Modificando el caudal de alimentación se obtienen las distintas intensidades de craqueo

dadas a continuación

El volumen del reactor es 0.1 litro y a la temperatura del reactor la concentración de la

alimentación es CAº = 100 milimol/litro.

Deduzca la ecuación cinética que representa la reacción de craqueo.

FAº, milimol/h CA,salida, milimol/litro

300 16

1000 30

3000 50

5000 60



Solución

-rA = 95.25 [A]

Reactor Tubular o de flujo pistón (PFR)

Ecuación de diseño para Reactores flujo Pistón



Integración por el método de Simpson (tres puntos)

ΔX= intervalo de integración. Se calcula restando al límite superior de la integral el límite inferior y dividiendo el resultado entre 2

Nota: Para evaluar las integrales y el volumen de

los reactores vistos anteriormente, es necesario

conocer como varía –rA con respecto a la

concentración o la conversión



Ejemplo La reacción no elemental irreversible en fase gaseosa

A + 2B ------ C

Es llevada a cabo isotérmica mente en un reactor discontinuo a presión constante. La alimentación esta a una temperatura de 227ºC, 1013 Kpa de presión y su concentración es 40 % A y 60% B.

Datos de laboratorio tomados sobre condiciones idénticas son

-rA, mol/Ls XA

1*10-2 0

7.25*10-3 0.10

6.06*10-3 0.15

5.00*10-3 0.20

4.06*10-3 0.25

3.25*10-3 0.30

2.56*10-3 0.35

2.00-10-3 0.40

1.25*10-3 0.50

1.00*10-3 0.60

a) Calcule el volumen requerido de un reactor tubular para alcanzar

la conversión de 30% de A con una alimentación de 2 m3/min

Solución



Tiempo Espacial

Se define como el tiempo necesario para tratar en el

reactor un volumen de alimentación (medido en

condiciones de presión y temperatura a la entrada del

reactor) igual al volumen del reactor.

Donde V= volumen y Q= flujo volumétrico

Aplicación de ecuaciones de diseño



Ejemplo: Calculo de tamaño de

reactor CSTR En un reactor de mezcla completa se da la siguiente

reacción:

A+B C

Si la concentración inicial de A es igual a la de B,

1lbmol/pie3, la constante de velocidad es 0.311 min-1 y la

concentración de C en la salida es de 6.137 lbmol/min,

para una conversión del 80%, cuál sería el volumen total

del reactor si la reacción se da en un solo paso.

R/ 15.34 pie3/min

solución



Comparación de los tamaños entre un

reactor CSTR y un PFR

Para una misma velocidad de flujo molar

un reactor PFR requiere un volumen más

pequeño que un reactor CSTR, para

alcanzar la misma conversión

Reactores CSTR de gran tamaño Supongamos que tenemos un solo reactor CSTR. La conversión a la entrada

de este reactor es nula, es decir XAE= 0. La ecuación de diseño

correspondiente a un reactor de mezcla perfecta con estas condiciones de

entrada es

Para un valor de FA0 concreto y si conocemos la ecuación cinética (-rA)S

podemos representar:

A medida que la conversión deseada es mayor, el volumen de reactor necesario

para llevar a cabo la operación también es mayor.



Si por ejemplo la ecuación de velocidad tiene la expresión

cuando la conversión de reacción deseada esté próxima a la unidad

Reactores CSTR en serie se utilizan cuando se quiere llevar la conversión

a un 100%

Es decir en este caso el área bajo la curva que necesitaríamos, y que

correspondería al un volumen del reactor, sería infinita. Esto desde un punto

de vista práctico es inviable. Este hecho es causa directa de las propias

características del reactor CSTR. Este reactor trabaja en condiciones de

salida del reactor, es decir, con concentraciones muy pequeñas de reactivo y

por lo tanto con velocidades de reacción también pequeñas. La solución a

este problema es trabajar con reactores CSTR en serie.

Reactores en serie

Si aplicamos la ecuación de diseño a cada uno de estos reactores:

primer reactor:

Si representamos FA0 frente a (-rA), vemos que para

obtener la misma conversión que trabajando con un solo

reactor de mezcla perfecta el volumen total de reactor

necesario es inferior. Por lo tanto con reactores de mezcla

perfecta en serie reducimos el volumen total necesario de

reactor .



Esquemas de reactores en serie

CSTR seguido de PFR en serie

CSTR en serie

CSTR ,PFR, CSTR en serie

PFR en serie

Continuación…

Al aumentar el número de reactores CSTR en serie disminuimos el volumen total

de reactor necesario para obtener un conversión dada. Cuando trabajamos con un

infinito número de CSTR en serie para obtener una conversión dada, el volumen

total de reactor coincide con el área bajo la curva en la representación gráfica de

FA0/(-rA)



Ejemplo La reacción no elemental irreversible en fase gaseosa

A + 2B ------ C

Es llevada a cabo isotérmicamente en un reactor discontinuo a presión constante. La alimentación esta a una temperatura de 227ºC, 1013 kPa de presión y su concentración es 40 % A y 60% B.

Datos de laboratorio tomados sobre condiciones idénticas son

-rA, mol/Ls XA

1*10-2 0

7.25*10-3 0.10

6.06*10-3 0.15

5.00*10-3 0.20

4.06*10-3 0.25

3.25*10-3 0.30

2.56*10-3 0.35

2.00-10-3 0.40

1.25*10-3 0.50

1.00*10-3 0.60

a) Calcule el volumen requerido de un reactor tubular para

alcanzar la conversión de 30% de A con una alimentación de

2 m3/min. Respuesta: 173.46 L

b) Calcule el volumen requerido de un reactor CSTR para

llevar el efluente del reactor en a) a lograr una conversión

total de 50 % de A. Cual es el volumen total de los dos

reactores.

c) Calcule el volumen requerido de un único reactor tubular

para alcanzar la conversión de 50% de A

d) Calcule el volumen requerido de un único reactor CSTR

para alcanzar la conversión de 50% de A

e) Cual es el volumen de un segundo reactor CSTR para para

incrementar la conversión de 50% a 60%



Asociación de reactores en paralelo: reactores PFR y CSTR

Supongamos que tenemos las siguientes disposiciones de reactores

Caso 1

a) Dos reactores PFR en paralelo

Si XA1= XA2, a partir de las ecuaciones de diseño de ambos reactores

obtenemos la relación de volúmenes necesaria.

b) Dos reactores CSTR en paralelo

Caso 2

En estos casos tenemos que ir del reactor 1 al 4 en la figura 2 , para

la resolución del problema.



Ejemplo: utilizando los datos del problema anterior

b) Cuantos reactores se necesitarían para una conversión

X=0.8

R/ 2 reactores

c) Si los reactores estuvieran en serie cual sería la

conversión

R/ X= 0.684

Ejemplo: Reactores en serie

Consideremos una reacción gaseosa de descomposición, en un proceso isotérmico, del tipo:

A B

Las mediciones de laboratorio están dada en la siguiente tabla, en la cual se muestra la velocidad de reacción como una función de la conversión. La temperatura fue de 149°C, la presión total es de 10 atm y la carga inicial es una mezcla equimolar de A e inerte. La velocidad de alimentación será de 6.0dm3/s

Para alcanzar el 40% de conversión en el primer reactor y el 80% en el segundo reactor (conversión global). Calcular el volumen total necesario considerando los siguientes casos:

a) 2 Reactores CSTR en serie

b) 2 Reactores PFR en serie

c) Un reactor PFR seguido de un CSTR en serie

d) Un reactor CSTR seguido de un PFR en serie



Datos experimentales

X -rA (mol/dm3s)

0 0,0053

0,1 0,0052

0,2 0,005

0,3 0,0045

0,4 0,004

0,5 0,0033

0,6 0,0025

0,7 0,0018

0,8 0,00125

0,85 0,001

reactor es

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