Los Reactores Ideales, Diapositivas de Química Industrial

¡Descarga Los Reactores Ideales y más Diapositivas en PDF de Química Industrial solo en Docsity! Ingeniería de las Reacciones Química Ing. Stefanie Bonilla, Msc stefanie.bonillab@ug.edu.ec ING. STEFANIE BONILLA, MSC UNIDAD #3 Diseño de Reactores Ideales 3. Objetivos de clase  Identificar las características principales de los reactores ideales para la correcta aplicación de las ecuaciones de diseño de acuerdo a los problemas plateados.  Diferenciar las características principales del reactor de mezcla completa.  Diferenciar las características principales del reactor de flujo en pistón.  Calcular velocidad y tiempo espacial. 3.1. Diseño de Reactores Ideales  Si la densidad del fluido permanece constante, se tiene: Fase Líquida = densidad constante =0  Cuando el volumen de la mezcla reaccionante varía proporcionalmente con la conversión ING. STEFANIE BONILLA, MSC 3.1. Diseño de Reactores Ideales  Método gráfico: 1. Caso general 2. Sistemas de densidad constante únicamente 1 (−𝑟 𝐴 )𝑉 Á𝑟𝑒𝑎= 𝑡 𝑁𝐴 0 1 (−𝑟 𝐴 ) Á 𝑟𝑒𝑎= 𝑡 𝐶𝐴0 1 (−𝑟 𝐴 ) Á𝑟𝑒𝑎=𝑡 3.1. Diseño de Reactores Ideales  Ejercicio 3.1. En un reactor discontinuo se está planeando la conversión de A en R. La reacción efectúa en fase líquida, la estequiometría es A→R, y la velocidad de reacción se indica en la siguiente tabla. Calcular el tiempo en que ha de reaccionar cada carga al reactor para que la concentración disminuya desde CA0 1,3 M a CA 0,3 M CA, mol/L 1/-rA, mol/Lmi n 0,1 0,1 0,2 0,3 0,3 0,5 0,4 0,6 0,5 0,5 0,6 0,25 0,7 0,10 0,8 0,06 0,9 0,055 1 0,048 1,1 0,046 1,2 0,045 5 1,3 0,045 1 (−𝑟 𝐴 ) Á𝑟𝑒𝑎=𝑡 3.2. Tiempo y Velocidad espacial  El valor de la velocidad espacial o del tiempo espacial dependen de las condiciones escogidas. Si se trata de condiciones de la corriente de entrada al reactor, la relación entre S y y de las demás variables es: FA0= flujo molar de entrada v0= flujo volumétrico de entrada 3.3. Reactor de mezcla completa Denominado tanque agitado, reactor de flujo mezclado , reactor de retromezclado, CSTR O CFSTR ( constant flow stirred tank reactor) y como su nombre lo indica, el reactor cuyo contenido está perfectamente agitado y su composición es la misma en todos los puntos del mismo. Así la corriente de salida de este reactor tiene la misma composición que la del fluido contenido dentro del reactor. Durante el diseño de reactores de flujo, el volumen denominado volumen de reactor, en realidad se refiere al volumen del fluido contenido en el reactor. 3.3. Reactor de mezcla completa La ecuación de diseño se obtiene efectuando el balance en base a un elemento de volumen del sistema. Como la composición es uniforme en todo el reactor, el balance puede referirse a todo el volumen del reactor. Seleccionando el reactivo A para considerarlo: ENTRADA = SALIDA + DESAPARICIÓN POR REACCIÓN + ACUMULACIÓN Como se muestra en la figura si es el caudal molar del componente A que entra al reactor, considerando al reactor como un todo, se tiene: CA0 XA0= 0 V0 FA0 CAf=CA XAf= XA Vf (-rA)f = (-rA) FA Mezcla uniforme 0 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝐴 , 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 =𝐹 𝐴=𝐹 𝐴0 (1−𝑋 𝐴) 𝐷𝑒𝑠𝑎𝑝𝑎𝑟𝑖𝑐𝑖 ó𝑛𝑑𝑒 𝐴 , 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 =(−𝑟 𝐴 )𝑉 𝑭 𝑨𝟎𝑿 𝑨=(−𝒓 𝑨 )𝑽 3.3. Reactor de mezcla completa Ejercicio 3.2. En un reactor de mezcla completa de volumen 1lt entra como alimentación v0= 1 lt/min de un líquido que contiene los reactantes A y B con CA0= 0,1 M y CB0=0,2 M. Las sustancias reaccionan de manera completa para la que se desconoce la estequiometría. La corriente de salida del reactor contiene los componentes A, B y C donde CAf= 0,02M , CBf=0,01M y CCf=0,04M. Calcúlese las velocidad es de reacción de A, B y C para las condiciones existentes en el reactor. 3.3. Reactor de mezcla completa Ejercicio 3.3 Calcúlese el tamaño del reactor de mezcla completa necesario para alcanzar una conversión del 87% en 0,21 horas: a) Con una alimentación líquida de 1000 moles de A/h y una CA0= 1,2 M b)Si se duplica el caudal de la alimentación, es decir para tratar 2000 moles de A/h. c) Si la concentración inicial es 2,4 M ,manteniendo la alimentación en 1000 moles A/h y CAf=0,3M. 3.3. Reactor de mezcla completa 3.3.1. Ecuación cinética densidad constante, primer orden 3.3.2. Sistemas en los que la variación de volumen es lineal Su ecuación de diseño aplicada una reacción de primer orden se expresa: 3.4. Reactor de Flujo en Pistón Se caracteriza porque el flujo del 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, en realidad, en este reactor puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca ha de existir mezcla o difusión a lo largo de la trayectoria del flujo. La condición necesaria y suficiente para que exista flujo en pistón es que el tiempo de residencia en el reactor sea el mismo para todos los elementos del fluido. 3.4. Reactor de Flujo en Pistón En un reactor de flujo en pistón la composición del fluido varía con la coordenada de posición en la dirección del flujo, en consecuencia, el balance de materia para un componente de la reacción a un elemento diferencial de volumen dV. Así para el reactante A se obtiene: ENTRADA = SALIDA + DESAPARICIÓN POR REACCIÓN + ACUMULACIÓN 0 𝐶𝐴0 𝐹 𝐴0 𝑋 𝐴0=0 𝑣0 𝐶𝐴𝑓 𝐹 𝐴𝑓 𝑋 𝐴𝑓 𝑣 𝑓 𝐹 𝐴 𝑋 𝐴 𝐹 𝐴+𝑑 𝐹𝐴 𝑋 𝐴+𝑑 𝑋 𝐴 𝑑𝑋 𝐴 𝑋 𝐴 Distancia a lo largo del reactor 3.4. Reactor de Flujo en Pistón ENTRADA = SALIDA + DESAPARICIÓN POR REACCIÓN + ACUMULACIÓN Entrada de A, moles/tiempo = FA Salida de A, moles/tiempo = FA + dFA Desaparición de A por reacción, moles/tiempo = (-rA) dV = ( Introducción los términos, tenemos: Teniendo en cuenta: Sustituyendo tenemos: 0 3.4. Reactor de Flujo en Pistón De acuerdo a la representación gráfica de las ecuaciones de diseño se verifica el tiempo especial necesario para cualquier fin particular, puede calcularse por integración numérica o gráfica. Sin embargo, para algunas formas cinéticas sencillas es possible la integración analítica. Algunas de las formas integradas más sencillas para flujo en piston son las siguientes: Reacciones homogéneas de orden cero y εA constante: Reacciones irreversible de primer orden, A→productos, y εA constante: 3.4. Reactor de Flujo en Pistón Reacciones irreversible de segundo orden, A+B→productos, con alimentación equimolar, o 2A→productos y εA constante: Cuando la densidad es constante se hace εA=0 para obtener la ecuación de diseño simplificada. Reacciones reversibles de primer orden, A↔rR, CR0/CA0 =M, ecuaciones cinética aproximada o calculada por –rA= k1CA-k2CR con conversión de equilibrio observada XAE y εA constante: 3.4. Reactor de Flujo en Pistón Ejercicio 3.6 Determinar el tamaño del reactor de flujo en pistón de un reactivo líquido A, para tratar 250 mol de A /h, si parte como una CA0 1,3 M y alcanza una conversión del 85%., de acuerdo a la siguiente ecuación de velocidad: -rA= 0,023 CA 3.5. Tiempo medio de residencia o permanencia y tiempo espacial Caso 2. Supongamos que se aplica las condiciones anteriores para un reactor de flujo en pistón. Entonces por definición el tiempo espacial sigue siendo: Sin embargo cuando el gas a su paso a través del reactor de flujo en pistón se va expandiendo progresivamente ( no se expande inmediatamente a la entrada ni a la salida) resulta: El valor adecuado de tiempo de permanencia se determina de acuerdo con la cinética particular del sistema. Caso 3. Si se trata de un sistema en fase líquida la expansión sería despreciable, y saldría 1 litro por cada litro que entrase, por consiguiente, el tiempo de permanencia y el tiempo espacial serían idénticos, es decir: 3.5. Tiempo medio de residencia o permanencia y tiempo espacial Ejercicio 3.8 Se desconoce la ecuación cinética en fase gaseosa 2A→R+2S. Si se necesita una velocidad espacial de 3min-1 para la conversión del 90% en un reactor de volumen 1L, que tiene un v0=3lt/min y un flujo de salida de 2 lt/min. Calcular para un reactor de mezcla completa y para flujo en pistón: a) El tiempo espacial. b) El tiempo medio de residencia en el reactor 3.6. Comparación entre reactor de flujo en pistón y Discontinuo Comparando las ecuaciones para reactores discontinuos cono las expresiones de flujo en pistón, encontramos: 1. Para los sistemas de densidad constante (volumen constante para el reactor discontinuo y densidad constante para flujo en pistón) las ecuaciones de diseño son idénticas: t para el reactor discontinuo es equivalente a para los de flujo en pistón y las ecuaciones pueden usarse indistintamente. 2. Para los sistemas de densidad variable no existe correspondencia directa entre las ecuaciones para los reactores discontinuos y los de flujo en pistón y debe utilizarse la ecuación adecuada para cada caso, sin que pueda emplear indistintamente.