Reactor semicontinuo

Cuanto más tiempo trabaja el reactor a la

máxima velocidad de reacción, mayor es la

productividad. Como se observa en la figura,

el proceso semicontinuo permite operar más

tiempo en estas condiciones, a la vez que

disminuye el tiempo muerto de vaciado y

llenado, respecto al proceso discontinuo,

aproximándose por lo tanto a la productividad del proceso continuo.

La mayoría de trabajos en este modo de operación tienen por objetivo el control de

la temperatura y la optimización de la comente de alimentación, por lo cual se hará

referencia a ellos en los apartados correspondientes.

1. DEFINICIÓN : Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo

el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va retirando productos

y también incorporando más material de manera casi continua. El reactor

semicontinuo es un sistema flexible pero más difícil de analizar que los

otros dos tipos; ofrece un buen control de la velocidad de reacción, debido a

que esta transcurre a medida que se añaden los reactantes.

Este reactor tiene múltiples aplicaciones: desde su empleo para las

titulaciones calorimétricas en el laboratorio, hasta su uso en los grandes

hornos de solera plana para la obtención de aceros.

El punto de partida para el diseño es un balance de materia referido a

cualquier reactante (o producto).Por consiguiente, como se indica en la

figura (1), tenemos:

........……..(1)

Cuando la composición en el reactor es uniforme (independiente de la posición), el

balance de materia puede hacerse refiriéndolo a todo el reactor .Cuando la

composición no es uniforme, el balance de materia ha de referirse a un elemento

diferencial de volumen y después se efectuara la integración extendida a todo el

reactor para las condiciones apropiadas de flujo y concentración.

Para los diversos tipos de reactores esta ecuación se simplifica de uno u otro

modo, y la expresión resultante, una vez integrada, da la ecuación básica de

diseño para aquel tipo de unidad .Así, en el reactor discontinuo los dos primeros

términos valen cero; en el reactor de flujo estacionario el cuarto termino

desaparece; y para el reactor semicontinuo hemos de considerar los cuatro

términos.

En las operaciones no isotérmicas ha de emplearse el balance calorífico

juntamente con el de materia .Es decir como se indica en la figura (2) siguiente,

tenemos:

……….(2)

También aquí este balance puede referirse a un elemento de volumen diferencial

del reactor o a todo el reactor, según las circunstancias.

El balance de materia de la ecuación (1) y el balance de calor de la ecuación (2),

están interrelacionados por sus terceros términos, debido a que el efecto calorífico

esta originado por la propia reacción.

Figura (3): Balance energético para un elemento de volumen del reactor

2. Características:

Las características de este tipo de reactores son las siguientes:

a) Son reactores tipo tanque con agitación.

b) Operan a régimen inestable

Una consideración que generalmente se toma en este tipo de reactores es la de

suponer que la mezcla está bien agitada. Con lo cual estamos considerando un

comportamiento ideal.

Algunas ventajas de este tipo de reactores son las siguientes:

a) Su operación es semicontinua.

b) Se puede tener un buen control de la temperatura.

c) La concentración de uno de los reactantes se puede mantener baja.

Algunas desventajas de este tipo de reactores son las siguientes:

a) Producción pequeña.

b) Alto costo de operación.

El reactor semicontinuo se utiliza en los siguientes casos:

a) Para reacciones homogéneas en fase liquida.

b) Para reacciones muy exotérmicas.

c) Cuando se debe tener una concentración baja de uno de los reactantes. 

d) Cuando se quiere retirar productos gaseosos.

3. Tipos de reactor semicontinuo :

REACTOR SEMIBATCH: Se dispone de un reactor

semicontinuo, el cual está

cargado con un reactivo y al

cual se alimenta el otro reactivo

en continuo. Tras un periodo de

reacción se produce la

descarga.

Aunque el reactor semibatch tiene las mismas desventajas que el

batch, puede tener un buen control de temperatura y minimizar

reacciones secundarias o no deseadas mediante el agregado

controlado de reactivos en el tiempo. El reactor semibatch es muy

usado para reacciones en dos fases por ejemplo líquido – gas,

donde el líquido es la fase discontinua y el gas la continua que se

burbujea constantemente en el medio líquido. Este es el caso de

muchos fermentadores, donde se burbujea aire para proveer oxígeno

a las bacterias que se encuentran en el medio líquido. Los reactores

TAC son muy usados cuando se requiere una agitación intensa. La

mayoría de las reacciones en fase líquida y en régimen continuo se

llevan a cabo en reactores TAC.

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA:

Producción de Bromuro de Metilo

La producción de Bromuro de Metilo es una reacción en fase líquida irreversible

que sigue a una ley de velocidad primaria .La reacción:

CNBr+CH 3NH 2→CH 3Br+NCNH 2

( A )+(B )→ (C )+(D )

Se lleva a cabo isotérmicamente en un reactor semibatch.Una solución de

metilamina (B) en presencia de etanol seco a una concentración de 0.025mol /dm3,

es alimentado a una velocidad de 0.05dm3/s a una solución de cianuro de bromo

(A) en presencia de etanol seco, contenida en un reactor de vidrio forrado .El

volumen inicial de líquido en el tanque es 5dm3, con una concentración de cianuro

de bromo de 0,05 mol / dm3. La Constante de velocidad de reacción específica es

K=2.20dm3(mol . s)

r=KCACB

Resuelva para las concentraciones de cianuro de bromo y bromuro de metilo y la

tasa de reacción como una función del tiempo.

CB0=0.025mol /dm3

V 0=0.05dm3 /s

Solución:

La reacción general se puede escribir como:

A+B→C+D

Tenemos que determinar el efecto del tiempo sobre las concentraciones de todas

las especies:

dC A

dt=−K CACB−

v0VrC A

dCBdt

=−K CACB−v0Vr

(CB0−CB)

V r=V 0 ,r+v0 t

Del mismo modo:

dCCdt

=K C ACB−v 0VrCC

dCDdt

=K C ACB−v0VrCD

Las condiciones iniciales en t=0 son: C A0=0.05mol/dm3, CB=CC=C D=0. Graficar

la concentración vs. Tiempo y tasa vs. Tiempo.

Obtención de caucho de estireno y butadieno

El caucho estireno-butadieno, frecuentemente abreviado SBR (del

inglés Styrene-Butadiene Rubber) es un elastómero sintético obtenido mediante la

polimerización de una mezcla de estireno y de butadieno. Es el caucho

sintético con mayor volumen de producción mundial. Su principal aplicación es en

la fabricación de neumáticos.

Una de las ventajas era que su producción tenía una muy buena relación costo-

utilidad. El caucho sintético fue usado para disminuir el consumo de las fuentes

naturales de caucho, especialmente en el área de la fabricación de neumáticos,

que en ese momento aún consistían de caucho sólido. Otros países comenzaron a

copiar los esfuerzos y a la década siguiente, muchas naciones desarrolladas

estaban en el negocio de la creación del SBR para ser usado en una variedad de

productos.

Propiedades:

Físicas

Temperatura de servicio: –10 °C a 70 °C.

Baja resistencia a la intemperie (oxidación, ozono, luz solar).

Excelente resistencia eléctrica.

Muy baja permeabilidad a los gases.

Químicas

Buena resistencia al agua pero pobre resistencia al vapor de agua.

No poseen resistencia a los hidrocarburos (alifáticos, aromáticos, clorados).

Baja resistencia a ácidos diluidos, menor aún en caso de mayor concentración.

Baja resistencia a los aceites (animal y vegetal).

Aplicaciones

Entre otros usos se encuentran la fabricación de cinturones, mangueras para maquinarias y

motores, juntas, y pedales de freno y embrague. En el hogar se encuentra en juguetes,

masillas, esponjas, y baldosas. Entre los usos menos esperados se encuentra la producción

de productos sanitarios, guantes quirúrgicos e incluso goma de mascar. - Cubiertas de

neumáticos de tamaño pequeño y medio - Sector calzado - Correas transportadoras y de

transmisión - Artículos moldeados – Perfiles

Ejemplo:

Estireno (S) y Butadieno (B) son copolimerizados en un reactor batch isotérmico

S+3.2B→ polymero

Son agregados inicialmente2,200Kg de Estireno y 5,000Kg de Butadieno al reactor

de 27m3 r=KCSCB y K=0.036m3Kmol−1h−1 .Asumir constante de densidad.

Calcular la concentración de (S) y (B) después de 10 horas.

dNSdt

=−KCSCBV CS0=0.78Kmol

m3

dN B

dt=−3.2K CSCBV CB0=3.4

Kmol

m3 Pero como:

VdCSdt

=dNSdt

=−K CSCBV CS0=0.78Kmol

m3

VdCBdt

=dNBdt

=−3.2K CSCBV CB0=3.4Kmol

m3

Entonces tenemos:

dCSdt

=−K CSC BV CS0=0.78Kmol

m3

dCBdt

=−3.2KCSCBV CB0=3.4Kmol

m3

Solución en POLYMATH: