LOS REACTORES QUIMICOS

Introducción al Diseño de Reactores Reactores Ideales Diseño de Reacciones Simples

TIPOS PRINCIPALES DE REACTORES QUIMICOS

Por la forma de obtener la producción: REACTORES BATCH. REACTORES SEMICONTINUOS. REACTORES CONTINUOS.

a) Reactores continuos de mezcla completa (CSTR). b) Reactores tubulares.

c) Reactores de lecho móvil. REACTORES CONTINUOS CON

RECIRCULACIÓN.

TIPOS PRINCIPALES DE REACTORES QUIMICOS (2)

Por la forma de efectuar la reacción química:

 a) REACTORES HOMOGÉNEOS.

b) REACTORES HETEROGÉNEOS.

c) REACTORES NO CATALÍTICOS.

d) REACTORES CATALÍTICOS. Reactores catalíticos de lecho fijo. Reactores catalíticos de lecho fluidizado. Reactores enzimáticos o bioreactores

TIPOS PRINCIPALES DE REACTORES QUIMICOS (3)

Velocidad de reacción, rj

Se define como la velocidad de formación o de desaparición de la especie j por tiempo por unidad de volumen.

Se expresa en términos de : la concentración de los componentes, 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 en el sistema.

MODELO MATEMATICO

Caudales Temperaturas Presiones

Dimensiones del Equipo.

Materiales de Construcción.

Necesidad : Calefacción, Refrigeración, Compresión, etc

Conservación de materia.

Conservación de energía.

Conservación de la cantidad de movimiento

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

Fjo + Gj - Fj = dNj/dt

Todas las variables son uniformes a través del volumen del sistema

Ecuación básica de diseño para la ingeniería de las reacciones químicas.

Ecuación de diseño en

Reactores Batch

•No tiene entrada ni salida de reactantes o productos .

•Mezcla reactante está perfectamente mezclada .

Ecuación de diseño en Reactores Batch (2)

Ecuaciones de diseño, en función de la CONVERSIÓN.

El número de moles de A que permanecen dentro del reactor después de un tiempo t, NA, se puede

expresar en términos de NAo y X.

Ecuaciones de Diseño para Sistemas a Flujo

La conversión se incrementa con el tiempo. Este tiempo se incrementa con el incremento

en el volumen . La conversión es una función del volumen

Balance de Masa

FA=FAo(1-X)

FAo – FA = -rA V

(Sustituir FA=FAo(1-X))

Ecuación de diseño para Reactores CSTR o BACKMIX

Ecuación de diseño para Reactores CSTR o BACKMIX (2)

Reactor Tubular (PFR)

Ecuación de diseño para Reactores Flujo Pistón

ENTRA - SALE - DESAPARECE = ACUMULA            FA - (FA + dFA) - (-rA) dV = 0        

Ecuación de diseño para Reactores Flujo Pistón (2)

NOTA: Para evaluar las integrales y el volumen de todos los reactores vistos anteriormente, es necesario conocer como varía –rA con respecto a la concentración o la conversión.

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.

Aplicación de las Ecuaciones de Diseño

Ejemplo 1:

Cálculo del Tamaño de un Reactor

CSTR

Tamaño de un reactor CSTR

X=80%

X=80%

FAo = 20 mol/s

Ejemplo 2:

Tamaño de un PFR

X = 80% , I = 10 dm3.s/mol.

volumen = 200 dm3.

FAo = 20 mol/s

∆X = intervalo de integración. Se calcula restando al límite superior de la integral el límite inferior y dividiendo el resultado por 2

Integración por el método de Simpson( tres puntos)

Comparación de los tamaños entre un Reactor CSTR y un PFR.

NOTA: Para la misma velocidad de flujo molar un reactor de flujo tapón requiere un volumen más pequeño que un reactor CSTR, para alcanzar la misma conversión.

Reactores de mezcla perfecta de gran tamaño

Reactores de Mezcla Perfecta en Serie

Infinitos Reactores de Mezcla Perfecta en

Serie

Asociación de reactores en paralelo:

reactores de flujo pistón y de mezcla perfecta

Ejemplo: Reactores en serie paralelo

Vamos a considerar una reacción gaseosa de descomposición, en un proceso isotérmico, del tipo:

Las mediciones en el laboratorio están dados en la

tabla 2-1, en la cual se muestra la velocidad de reacción como una función de la conversión. La temperatura fue de 149oC, la presión total es de 10 atm (1013 kPa), y la carga inicial es una mezcla equimolar de A e inerte.

TABLA 2-1

X -rA (mol/dm3.s)

0.00.10.20.30.40.50.60.70.8

0.85

0.00530.00520.00500.00450.00400.00330.00250.00180.001250.00100

Tabla de datos experimentales

X = 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.85

-rA= 0.0053 0.0052 0.0050 0.0045 0.0040 0.0033 0.0025

0.0018 0.00125 0.00100

              89 192 200 222 250 303 400 556 800 1000

Calcular los recíprocos de las velocidades

Graficar los datos anteriores

Usar la figura anterior para dimensionar cada reactor del arreglo

Condiciones Iniciales:To=149oC

Po=1013 kPa

yAo=0.5

La velocidad de alimentación será de 6.0 dm3/s

Aplicando la Ley del Gas Ideal para Calcular CAo.

PAo = Presión parcial inicial de A = 5 atm

Po = Presión total inicial = 10 atm

yAo = Fracción mol inicial de A = 0.5

To = Temperatura inicial = 200 oF = 149 oC = 422.2 K

Vamos a considerar primero 2 reactores CSTR en serie:

Para el reactor 1:

                             Para el reactor 2:                               

Comparando los volúmenes de los CSTRs en serie:

Para los dos reactores en serie anteriores, en donde se alcanza el 40% de conversión en el primer reactor y el 80% en el segundo (conversión global). ¿Cuál es el volumen de los reactores y cuál sería el volumen si solamente fuera uno solo?. (Considere que la velocidad del flujo molar FA2 que sale del reactor 1, FA2= 0.2 FAo).

VTOTAL = V1 + V2 = 364 litros

Analizaremos el caso cuando se tienen 2 reactores de tipo PFR, en serie.

para el primer reactor, Xo=0, X1=0.2, X3=0.4 y ∆X=0.2

Para el segundo reactor:

El volumen total es: V=V1+V2=225 litros.

Esquema A:Reactor de flujo tapón:           

Integrando entre X=0 y X=0.5

                                        

          

CSTR:                                      

VTOTAL = V1 + V2 = 305 litros

Esquema B:CSTR:                            

PFR:                           

VTOTAL = 262 litros