Difusión Con Reacción Química

DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA En muchas operaciones se dan simultáneamente los procesos de difusión y reacción química, ya sea en la fase de interés o sobre alguna de las superficies que la delimita. En esta clase se verán algunos casos puntuales que le servirán para entender este tipo de operaciones. Primero se debe diferenciar entre los dos casos de reacción química que se pueden encontrar:

1. Reac Reacci ción ón het heterog erogén énea ea : ocurre sobre alguna superficie que delimita la  fase de interés interés.

2. Reac Reacci ción ón hom homog ogén énea ea : ocurre dentro de la fase de interés, es decir, “dentro del volumen de control”.

La resolución de los problemas se vera afectada por el caso de reacción que tenga lugar. 1° cuatrimestre de 2014

Dra. Larrondo - Ing. Grosso

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DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA - Difusión con reacción heterogénea: Ejemplo:

O2 ( g )  2C ( s )

 2CO( g )

Volumen de control:  fase gaseosa O2 + CO

Ecuación diferencial de materia para el oxígeno:

C O

2

t  1° cuatrimestre de 2014

  N O  RO 2

2

Dra. Larrondo - Ing. Grosso

La reacción no ocurre en la fase de interés.

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DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA - Difusión con reacción heterogénea: Ejemplo:

O2 ( g )  2C ( s )

 2CO( g )

Volumen de control:  fase gaseosa O2 + CO

Ecuación diferencial de materia para el oxígeno:

C O

2

t  1° cuatrimestre de 2014

  N O  RO 2

2

Dra. Larrondo - Ing. Grosso

La reacción no ocurre en la fase de interés.

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DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA - Difusión con reacción heterogénea: Como se trata de un proceso en serie, se debe tener en cuenta el  peso relativo de cada etapa, ya que la más lenta lenta controlará dicho  proceso.

Control por difusión: la velocidad de reacción es mucho mayor a la velocidad de difusión (reacción instantánea). instantánea).

Control por reacción: la velocidad de difusión es mayor a la de la reacción química. En muchos casos prácticos, no habrá un control marcado por una u otra etapa.

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DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA - Difusión con reacción homogénea: Ejemplo:

CO( g )  3 H 2 ( g )

 CH 4 ( g )  H 2O( g )

Volumen de control:  fase gaseosa

Ecuación diferencial de materia para el monóxido de carbono:

C CO   N CO  RCO t 

 Ahora el término de reacción química no desaparece.

Luego, deberá analizarse analizarse si se trata tr ata el problema como una solución concentrada concentrada o diluida. 1° cuatrimestre de 2014

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DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA Difusión con reacción heterogénea: reacción instantánea Se va a estudiar un reactor catalítico donde ocurre la siguiente reacción irreversible e instantánea sobre la superficie de catalizador:

2 A( g )

 B( g )

Lecho catalítico: relleno cubierto con material catalítico

El análisis se va a centrar sobre lo que ocurre en las proximidades de una partícula de catalizador. 1° cuatrimestre de 2014

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DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA Difusión con reacción heterogénea: reacción instantánea Modelo:

Se va a considerar que existe un película gaseosa muy delgada, de espesor e, que rodea a la superficie del catalizador.  A través de esta película difunden A y B. Con el siguiente planteo se intentará obtener una expresión para la velocidad “local” de conversión de A en B. 1° cuatrimestre de 2014

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DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA Difusión con reacción heterogénea: reacción instantánea Simplificaciones que se asumen para la resolución: Estado estacionario.

•

El espesor (e) de la película estanca de gas es conocido. •

Este espesor se mantiene constante y es mucho menor al diámetro (D) de las  partículas de relleno. •

La temperatura dentro de la película se mantiene constante. •

Se conocen las concentraciones globales y  AG e y BG. •

La reacción 2A → B ocurre instantáneamente sobre la superficie del catalizador. •

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DIFUSIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA Difusión con reacción heterogénea: reacción instantánea Estas simplificaciones permiten plantear el problema considerando una simetría plana, ya que e