¿Cuál es el grado de conversión más convenientes y porque?

a) para reacciones simples:

1. Aunque la constante termodinámica no depende de la presión o presencia de inertes, la concentración de equilibrio de las sustancias y la conversión de equilibrio de los reactantes pueden depender de estas variables.

2. Si K>>1, la conversión puede ser prácticamente completa y la reacción puede considerarse irreversible. Si K<<1, la reacción no transcurrirá en una extensión apreciable.

3. Al aumentar la temperatura, la conversión de equilibrio aumenta para las reacciones endotérmicas y disminuye para las exotérmicas.

4. Al aumentar la presión en las reacciones en fase gaseosa, la conversión aumenta cuando el número de moles disminuye con la reacción, y disminuye cuando el número de moles aumenta con la reacción.

5. Para todas las reacciones la disminución de inertes actúa del mismo modo que un aumento de presión en las reacciones en fase gaseosa

1.

¿CUÁLES SON LOS PRINCIPALES FACTORES QUE DETERMINAN EL FUNCIONAMIENTO DE UN REACTOR QUÍMICO

Tipo de reactor

Catalizador

Dimensiones

Condiciones de operación (temperatura y presión

Fases

Condiciones de alimentación (concentración y temperatura

¿CUÁL ES EL GRADO DE CONVERSIÓN MÁS CONVENIENTE Y POR QUÉ?

a) Para reacciones simples

b) Para reacciones múltiples en paralelo

c) Para reacciones múltiples en serie

d)Para reacciones múltiples en serie-paralelo

La conversión es uno de los aspectos más importantes al momento de diseñar un reactor, ya que todo se basa en este. Desde el tipo de reactor a utilizar hasta la temperatura que se requiere para hacer que ocurra la reacción.

Reacciones simple

Un ajuste inicial de 95% de conversión para reacciones irreversibles y 95% de la conversión de equilibrio para reacciones reversibles. Sin embargo, esta depende de la temperatura de la reacción. Es decir, si la reacción es exotérmica la conversión es menor a que si se trata de una reacción endotérmica. La presión es otra condición importante, en este caso al aumentarla en las reacciones en fase gaseosa, la conversión aumenta si el número de moles disminuye con la reacción, y disminuye cuando el número de moles aumenta con la reacción.

Reacciones múltiple en paralelo

A estas reacciones interviene otro factor que es la selectividad. La selectividad global representa cuanto se produjo del producto deseado D con respecto a todo lo que reacciono del reactivo A. En caso de que la reacción del subproducto sea menor que la reacción primaria, se espera una conversión menor que a las de reacción simple. Se sugiere ajustar la conversión a 50% para reacciones irreversibles ó 50% de la conversión de equilibrio para reacciones reversibles

Reacciones múltiple en serie

El grado de conversión más conveniente es el que nos permite tener la mayor cantidad del producto deseado. Las reacciones en serie siguen el sistema:

A→B→C

Asumimos que el producto deseado es B. Cuando la reacción tiene lugar en un reactor de mezcla perfecta. En este caso suponemos también que la alimentación no contiene los productos de reacción B y C. El balance de masa aplicado al compuesto A resulta en la expresión

CACA0

= 11+K 1τ m

Para el componente B se tiene

CBCA0

=K 1τ m

(1+K1 τm)(1+K2 τm)

El valor máximo de B lo podemos determinar haciendo

dCBd τm

=0

Obtenemos de esta forma

τ max=1

√K 1K 2

La concentración máxima de B la podemos calcular sustituyendo

CRmaxCA 0

= 1

[( K 1K 2

)1/2

+1]2

Si queremos obtener una conversión elevada de reacción y tenemos una relación K2/K1 pequeña podremos realizar el diseño del reactor obteniendo al final un producto con un rendimiento fraccional de R elevado. En este caso seguramente no será necesaria la recirculación del reactante no utilizado. Sin embargo si tenemos una relación K2/K1 mayor que la unidad, el rendimiento fraccional desciende muy bruscamente, aún para una conversión pequeña. Por consiguiente, para evitar obtener el producto indeseado C, en lugar de B, hemos de realizar un diseño de reactor para una conversión pequeña de A por paso. Posteriormente realizar una separación de R y recirculación del reactante no empleado. Todo ésto encarecerá notablemente el coste de producción.

Reacciones múltiple en serie-paralelo

La concentración de los reactantes constituye la clave para el control de la distribución del producto. Una concentración alta del reactante favorece la reacción del orden mayor, una concentración baja favorece la reacción de orden mayor, y para reacciones del mismo orden la distribución del producto no depende de la concentración del reactante.

2. Cual es el modelo ideal de reactor perferido para reacciones simples y porque?

Las reacciones simples son aquellas cuyo transcurso puede describirse y seguirse adecuadamente utilizando una sola expresión cinética, además de las que se refieren a la estequiometria y al equilibrio. Para estas reacciones la distribución del producto es fija, y el factor más importante para la comparación de distintos diseños es el tamaño del reactor. El reactor discontinuo tiene la ventaja del pequeño coste de instalación y su flexibilidad en cuanto a su funcionamiento, sin embargo, tiene la desventaja del elevado coste de funcionamiento y mano de obra; el tiempo invertido para la carga, descarga y limpieza es considerablemente grande, y el control de calidad del producto es deficiente. En consecuencia, podemos afirmar que, en general, el reactor discontinuo sólo es adecuado para la producción de pequeñas cantidades de sustancias o para la producción de muchas sustancias diferentes en el mismo aparato. Por el contrario, el proceso continuo es casi siempre más económico para el tratamiento químico de grandes cantidades de sustancias. En la siguiente gráfica se proporciona una comparación para las reacciones del tipo:

En la que “n” varía de cero hasta tres.

Entre el comportamiento de los reactores de flujo pistón y mezcla completa. Para iguales composiciones y caudales de alimentación (CA0 y FA0) en ambos tipos de reactores la ordenada de esta representación da directamente la relación entre el volumen del reactor de mezcla completa y el de flujo pistón, para cualquier conversión dada. De la tabla se deduce lo siguiente

1) Para cualquier fin determinado y para todos los órdenes positivos de reacción, el reactor de mezcla completa es siempre mayor (volumen) que el reactor de flujo pistón. La relación de volúmenes aumenta con el orden y para reacciones de orden cero el tamaño del reactor es independiente del tipo de flujo.

2) Cuando la conversión es pequeña el comportamiento de reactor está sólo ligeramente afectado por el tipo del flujo, la relación de volúmenes tiende a uno cuando la conversión tiende a cero.

3) La variación de la densidad durante la reacción afectará el diseño, sin embargo, en general su importancia es secundaria en comparación con la de los distintos tipos de flujo. La expansión (o disminución de densidad) durante la reacción hace que aumente la relación de volúmenes, o en otras palabras, disminuye la eficacia del reactor de mezcla completa con respecto al de flujo pistón.

Levenspiel, O. "Ingeniería de las reacciones químicas", 6ª reimpr., Reverté, Barcelona (1997)

3.¿Cuál es el procedimiento para seleccionar el modelo ideal de reactor en el caso de reacciones múltiples?

Para reacciones en paraleloPara reacciones en seriePara reacciones en serie-paralelo

Reacciones en paralelo.Feed→Product r_1=k_1 C_Feed^a1

Feed→Byproduct r_2=k_2 C_Feed^a2

En este tipo de reacciones se requiere una mínima formación de subproducto, esto es una alta selectividad hacia la reacción deseada. La máxima selectividad requiere una relación mínima entre r2 y r1 y está dada por la ecuación:

r2/r1=k2/k1 C_Feed^(a2-a1)

Si a2 > a1, la selectividad aumenta cuando la conversión aumenta, por lo que se usa un reactor batch o uno de flujo pistón.Si a2 < a1, la selectividad disminuye cuando la conversión aumenta, por lo que se recomienda utilizar RAC.

Reacciones en serie.

Se prefiere un reactor batch o flujo pistón.

Se considerará el siguiente esquema de dos reacciones irreversibles de primer orden

A → (1) → R → (2) → S

En el que interesa el producto intermedio R, en condiciones isotermas. Las ecuaciones de velocidad para cada reacción se consideran

r1=k1CA r2=k2CR,

Por lo que las velocidades de generación por unidad de volumen son:

rA=-k1CA, rR=k1CA-k2CR, rS=k2CR.

1.- Excepto si k1=k2, el tiempo espacial necesario para alcanzar cR,max es siempre menor en el flujo en pistón 2. cR,max que puede obtenerse en un flujo en pistón es siempre mayor que en un RAC 3. Dada una distribución de productos (cA,cR,cS), k2/k1 puede obtenerse por comparación de las gráficas 4. El rendimiento fraccional medio o global es siempre menor en un RCTA para cualquier conversión. Todas estas conclusiones pueden extrapolarse a un reactor discontinuo cambiando el tiempo espacial por el tiempo.

Reacciones en serie-paralelo.

En lo que concierne a la reacción en paralelo, para una alta selectividad existen 2 casos:

Si a1 > a2, úsese un reactor batch o flujo pistón.

Si a1 < a2, úsese un reactor RAC.

Para las reacciones en serie se requiere un reactor de flujo pistón. Por lo tanto para un sistema mezclado serie-paralelo se tiene:

Si a1 > a2, úsese un reactor batch o flujo pistón.

Si a1< a2, implica una mezcla de reactores de flujo tapón y RAC para obtener la mejor selectividad global del proceso.

Para ello puede obtenerse por:

Opción a) Una serie de reactores RAC.

Opción b) Un reactor de flujo pistón que incluya recirculación.

Opción c) Por combinaciones de los 2 anteriores

4. Indique cuales son las recomendaciones generales con respecto al afecto de la concentracion de los componentes que participam en la reaccion, en cada uno de los siguientes casos:

Reacciones simples irreversibles: Un exceso en la alimentación de algún componente puede forzar a otro componente hacia la conversión completa, es debido a esto que la elección habitual de reactivo en exceso es eliminar el componente que es más difícil de separar en el sistema, aunque sin embargo la conversión completa tiene ventajas para la seguridad.

Reacción simple reversible: La máxima conversión en reacciones reversibles está limitada por la conversión de equilibrio, y las condiciones en el reactor se elige generalmente para aumentar la conversión de equilibrio; se debe de tomar en cuenta la relación de alimentación, por ejemplo en un sistema de equilibrio se añade un exceso de uno de las alimentaciones, el efecto tendera a desplazar el equilibrio para disminuir la concentración de la alimentación, es decir aumentar la conversión; otra es la concentración de interés, como pueden ser un disolvente en una reacción de fase liquida o algún gas inerte en una reacción de fase gaseosa. También considerarse la eliminación de un producto durante la reacción.

Reacción múltiple en paralelo: se hace con el fin de maximizar la selectividad o rendimiento del reactor, las condiciones pueden ser modificadas para la mejora de selectividad. En cuanto a las reacciones secundarias y es reversible y disminuye el número de moles.

Si inertes están presentes, aumentando la concentración de material inerte se reducirá en la formación de producto. Si la reacción es reversible y secundaria implica un aumento en el número de moles, como:

Para todas las reacciones secundarias reversibles, deliberadamente por la alimentación del al reactor inhibe su formación en origen desplazando el equilibrio de la reacción secundaria. Esto se logra en la práctica mediante la separación y el reciclaje por producto en lugar de separar y disponer de él directamente.

Reacciones múltiples en serie: Si la reacción implica más de una alimentación, no es necesario operar con la misma baja conversión en todas las alimentaciones. El uso de un exceso de una de las alimentaciones permite la operación con una relativamente alta conversión de otros materiales para piensos y todavía inhibe las reacciones de la serie. Otra forma de mantener baja la concentración de producto se va a retirar el producto a medida que avanza la reacción.

Si la reacción es irreversible:

Aumentar la concentración de material inerte si la reacción POR PRODUCTO implica una disminución en el número de moles;

Disminuir la concentración de material inerte si la reacción POR PRODUCTO implica un aumento en el número de moles.

Reacciones múltiple en serie paralelo: exceso de una de las alimentaciones puede ser eficaz en la mejora de la selectividad con reacciones mixtas. La eliminación del producto a medida que avanza la reacción también es eficaz en la supresión del elemento de la serie de por reacciones de productos, proporcionando la separación es sencillo; si la reacción es reversible por producto y material inerte está presente, entonces el cambio de la concentración de material inerte.

5.¿Cuáles son los aspectos que se deben tomar en cuenta para la selección tanto de la temperatura como de la presión en el reactor?

Temperatura del reactor

1) Reacciones simples a) Reacciones endotérmicas

Si una reacción endotérmica es reversible, entonces el Principio de Le Chatelier dicta que el funcionamiento a alta temperatura aumenta la conversión máxima. Además, la operación a alta temperatura aumenta la velocidad de reacción, lo que permite la reducción de volumen del reactor. Por lo tanto, para las reacciones endotérmicas, la temperatura debe ajustarse lo más alto posible, compatible con la seguridad, materiales de construcción y de las limitaciones de la vida del catalizador.

b) Reacciones exotérmicasPara las reacciones irreversibles exotérmicas individuales, la temperatura debe ajustarse lo más alto posible, consistente con los materiales de construcción, la vida del catalizador y la seguridad, con el fin de minimizar el volumen de reactor.Por lo tanto, si una reacción exotérmica es reversible, entonces el principio de Le Chatelier dicta que el funcionamiento a una baja temperatura aumenta la conversión máxima. Sin embargo, el funcionamiento a baja temperatura disminuye la velocidad de reacción, aumentando así el volumen del reactor. Entonces Idealmente, cuando lejos del equilibrio, es ventajoso utilizar una temperatura alta para aumentar la velocidad de reacción. A medida que se aproximaba el equilibrio, la temperatura debe reducirse para aumentar la conversión máxima. Para las reacciones exotérmicas reversibles, la temperatura ideal está disminuyendo de forma continua a medida que aumenta la conversión.

2) Reacciones múltiplesLos argumentos presentados para minimizar el volumen del reactor para reacciones simples se pueden utilizar para la reacción primaria cuando se trata de múltiples reacciones. Sin embargo, el objetivo en esta etapa del diseño, cuando se trata de múltiples reacciones, es maximizar la selectividad o el rendimiento del reactor en lugar de para minimizar el volumen, para una conversión dada. Las velocidades de reacción para las reacciones primaria y secundaria ambos cambian con la temperatura, ya que las constantes de velocidad de reacción k1 y k2 incrementan al aumentar la temperatura. La tasa de cambio con la temperatura podría ser significativamente diferentes para las reacciones primarias y secundarias.

Si aumenta más rápido que k1>> k2, operar a alta temperatura (pero tener cuidado con la seguridad, la vida y el catalizador materiales de construcción restricciones).

Si K2 aumenta más rápido que k1 k2>>k1, operar a baja temperatura (pero tener cuidado de costo de capital, ya que la baja temperatura, aunque aumenta la selectividad, también aumenta el tamaño del reactor). Aquí hay un equilibrio económico entre la disminución de la formación de producto y el aumento de costo de capital

Presión en un reactor

1) Reacciones simplesa) Disminución en el número de moles

Una disminución en el número de moles para reacciones en fase vapor disminuye el volumen, así como el reactivo que se convierte en producto. Para un volumen de reactor fijo, esto significa una disminución en la presión por los reactivos que se convierten en productos. El efecto de un aumento de la presión del sistema es para causar un cambio de la composición de la mezcla gaseosa hacia un volumen menor. El aumento de la presión del reactor aumenta la conversión de equilibrio. El aumento de la presión aumenta la velocidad de reacción y también reduce el volumen del reactor. Por lo tanto, si la reacción implica una disminución en el número de moles, la presión debe ajustarse lo más alta posible, teniendo en cuenta que la alta presión puede ser costoso para obtener a través de la potencia del compresor, la construcción mecánica podría ser costoso y de alta presión trae problemas de seguridad.

b) Incremento en el número de molesUn aumento en el número de moles para reacciones en fase de vapor aumenta el volumen como reactivos se convierten en productos. El principio de Le Chatelier dicta que una disminución en la presión del reactor aumenta la conversión de equilibrio. Sin embargo, el funcionamiento a baja presión disminuye la velocidad de reacción en las reacciones en fase de vapor y aumenta el volumen del reactor. Así, inicialmente, cuando lejos del equilibrio, es ventajoso el uso de alta presión para aumentar la velocidad de reacción. A medida que se aproximaba el equilibrio, la presión debe reducirse para aumentar la conversión. La presión ideal sería disminuir continuamente a medida que se incrementa la conversión al valor deseado. La baja presión necesaria se puede conseguir haciendo funcionar el sistema en reducción de la presión absoluta o mediante la introducción de un diluyente para disminuir la presión parcial. El diluyente es un material

inerte (por ejemplo, vapor) y se utiliza simplemente para bajar la presión parcial en la fase de vapor.

2) Reacciones múltiples

Los argumentos presentados para el efecto de la presión sobre las reacciones en fase de vapor simples se pueden utilizar para la reacción primaria cuando se trata de múltiples reacciones. Una vez más, la selectividad y el rendimiento del reactor son propensos a ser más importante que el volumen del reactor para una conversión dada. Si hay una diferencia significativa entre el efecto de la presión sobre las reacciones primarias y secundarias, la presión debe ser elegido para reducir tanto como sea posible la velocidad de las reacciones secundarias en relación con la reacción primaria. La mejora de la selectividad de rendimiento de la reacción de esta manera puede requerir cambiar la presión del sistema o tal vez la introducción de un diluyente.

Para las reacciones en fase líquida, el efecto de la presión en el volumen de la selectividad y el reactor es menos pronunciada, y la presión es probable que sea elegido para:

evitar la vaporización de los productos; permitir la vaporización del líquido en el reactor de modo que pueda

condensarse y se sometió a reflujo de nuevo al reactor como un medio de eliminar el calor de reacción;

permitir la vaporización de uno de los componentes en un reacción reversible con el fin de que los aumentos de eliminación conversión máxima

permitir la vaporización para alimentar el vapor directamente en una destilación operación de combinar las reacciones con separación

6.-¿Cuáles son las reglas generales para la selección de la fase en el reactor?

Una vez que se ha considerado la temperatura y la presión, se puede considerar la fase del reactor. La fase del reactor puede ser líquida, gaseosa o multifase. Dada una elección libre entre reacciones en fase gaseosa o en fase líquida, es preferible utilizar la fase líquida. Considere la siguiente reacción simple:

ALIMENTACIÓN→PRODUCTOr=kC ALIMENTACIÓNa

Claramente, en la fase líquida pueden mantenerse concentraciones más altas de Ca

ALIMENTACIÓN (Kmol/m3) que en fase gaseosa. Esto ocasiona que en general las reacciones en fase líquida sean más rápidas y por lo tanto se necesite un volumen de reactor más pequeño.

Sin embargo, se debe tener cuidado, ya que en muchos sistemas de reactores multifase, las velocidades de transferencia de masa entre las diferentes fases pueden ser tan importantes, o incluso más importantes que la cinética de la reacción al momento de determinar el volumen del reactor. Las velocidades de transferencia de masa generalmente son más altas en los sistemas en fase gaseosa que en fase líquida. En tales situaciones es difícil decidir que fase utilizar.

Muy a menudo no se podrá decidir que fase utilizar. Por ejemplo, si la temperatura del reactor está por encima de la temperatura crítica de las especies químicas, entonces tendremos una fase gaseosa. Incluso si podemos fijar la temperatura por debajo de la temperatura crítica, una presión extremadamente alta puede ser requerida para operar en la fase líquida.

La elección de la temperatura del reactor, la presión y por lo tanto la fase deben, en primer lugar, tener en cuenta los efectos de equilibrio y las selectividades deseadas. Si todavía hay libertad de elegir entre fase gaseosa o líquida, es preferible trabajar en la fase líquida.

7. ¿Cuáles son las variables a tomar en cuenta para la selección del catalizador?

La elección del catalizador es de crucial importancia. Los catalizadores aumentan la velocidad de reacción, pero son idealmente invariable en cantidad y composición química al final de la reacción. Si el catalizador se utiliza para acelerar una reacción reversible, por sí mismo no altera la posición del equilibrio. Sin embargo, debe tenerse en cuenta si se usa un catalizador sólido poroso, entonces, diferentes velocidades de difusión de las diferentes especies dentro de un catalizador pueden cambiar la concentración de los reactivos en el punto donde la reacción tiene lugar, influyendo así en el equilibrio indirectamente.

Cuando los sistemas de múltiples reacciones están involucrados, el catalizador puede tener diferentes efectos sobre las velocidades de las diferentes reacciones. Esto permite que se desarrollen catalizadores que aumentan la velocidad de las reacciones deseadas en relación con las reacciones no deseadas. De ahí la elección del catalizador puede tener una gran influencia en la selectividad. El proceso catalítico puede ser homogéneo, heterogéneo o bioquímico.

1. Catalizadores homogéneos. Con un catalizador homogéneo, la reacción procede en su totalidad, ya sea en fase de vapor o líquido. El catalizador puede modificar el mecanismo de reacción por la participación en la reacción, pero se regenera en una etapa posterior. El catalizador es libre de seguir promoviendo la reacción.

2. Catalizadores heterogéneos. En la catálisis heterogénea, el catalizador está en una fase diferente de las especies reaccionantes. Muy a menudo, el catalizador

heterogéneo es un sólido, que actúa sobre especies en la fase líquida o gaseosa. El catalizador sólido puede ser cualquiera de los siguientes:

Materiales catalíticos a granel, en la que la composición bruta no cambia de manera significativa a través del material, tales como malla de alambre de platino.

Catalizadores de soporte, en el que el material catalítico activo se dispersa sobre la superficie de un sólido poroso.

Reacciones catalíticas en fase gaseosa juegan un papel importante en muchos procesos químicos a granel, tales como en la producción de metanol, amoniaco, ácido sulfúrico y la mayoría de los procesos de refinería de petróleo. En la mayoría de los procesos, el área efectiva del catalizador es de importancia crítica. Los catalizadores industriales están generalmente soportados en materiales porosos, ya que esto resulta en un área activa mucho más grande por unidad de volumen del reactor.

Dependiendo de la porosidad del catalizador, la velocidad de reacción es una función de la concentración de los reactivos, la temperatura y la presión. El factor de eficacia es la relación de la velocidad observada que se obtendría si la totalidad de la superficie interna del gránulo estuviera disponible para los reactivos a las mismas concentraciones que en la superficie externa. Generalmente, cuanto mayor es el factor de eficacia, mayor será la velocidad de reacción.

El factor de eficacia depende del tamaño y la forma del gránulo de catalizador y la distribución del material activo dentro del gránulo.

Más a menudo, las reacciones sólido-catalizadas son múltiples reacciones. Para las reacciones en paralelo, la clave de alta selectividad es mantener la concentración y temperatura altos o bajos niveles adecuados de reactivos en la superficie del catalizador, para fomentar la reacción deseada y para desalentar a las reacciones de subproductos. Para las reacciones en serie, la clave está en evitar la mezcla de fluidos de diferentes composiciones.

3. Catalizadores bioquímicos. Algunas reacciones pueden ser catalizadas por enzimas. La atracción en el uso de enzimas en lugar de microorganismos es una enorme mejora de la velocidad que se puede obtener en ausencia de los microorganismos. Esto se limita a situaciones en las que la enzima puede ser aislada y también es estable. Además, la reacción química no tiene que atender a las necesidades especiales de las células vivas.

Cualquiera que sea la naturaleza de la reacción, la elección del catalizador y las condiciones de reacción puede ser crítica para el rendimiento del proceso, debido a la influencia resultante sobre la selectividad de la reacción y coste del reactor.

En general, los catalizadores heterogéneos se prefieren que los catalizadores homogéneos, porque la separación y el reciclado de catalizadores homogéneos pueden ser a menudo muy difícil. La pérdida de catalizador homogéneo no sólo crea un gasto directo a través de la pérdida de material, sino que también crea un problema ambiental.

Para las reacciones catalíticas, considerar siempre los efectos de transferencia de masa. Si están presentes, reducen la sensibilidad de la temperatura de la reacción.