reacciones multiples

Trabajar en términos de flujos molares y concentraciónes; concentraciónes;NO NO usar conversión!

(Producto intermedio que continúa reaccionando).

(Reactivo es consumido por dos trayectorias de reacción).

Combinación de reacciones en serie y paralelas

 Alimentaciones que contienen muchos reactivos) ( Alimentaciones

Cuantificación de formación de producto deseado, D, con respecto a producto indeseado, U.

1

Instantánea Selectividad

S DU =

Velocidad de formación de D Velocidad de formación de U

Global Flujo molar salida producto deseado ~ SDU = Flujo molar salida producto indeseado

 N ~ SDU = D  N U

Rendimiento

Ejemplo:

~ YD =

(Reactor Batch)

 N D  N Ao − N A

(Reactor batch)

2

Producto deseado, r D=k 1CA CB  producto indeseado, r U=k 2CACB

⇒ Operar a alta concentración de A. Usar RFP.

2

D  ⎯→ A  ⎯  D

k 

U  ⎯→ A  ⎯  U

k 

•

r U = k U C αA2

(indeseado)

Velocidad de desaparición de A:

kDC Aα1 + kUC Aα2

-r  A = r D + r U = •

r D = k D C αA1

(deseado)

α1 y α2 > 0

Selectividad instantánea:

S DU =

r D r U

=

k D k U

α −α 2

C A1

SDU debe ser máxima.

Sea: a = α1 - α2 (diferencia positiva)

Para valor alto de  SDU

⇒ Mantener C A

•

Fase gas: Ausencia de inertes y P alta

•

Fase líquida: Mínimo uso de diluyentes

•

Reactor: Batch o RFP

•

No usar RCPA

SDU =

r U

r D r U

=

k D k U

C aA

 :

a = α2 - α1

:

r D

⇒

S DU =

=

k D C αA1 k U C αA2

=

 Alto SDU ⇒  Mantener

k D k U C αA2 −α1

=

k D k U C aA

C A

3

•

Dilución con inertes

•

Reactor RCPA

•

Reactor con reciclo (corriente de producto actúa como diluyente)

Depende de la razón de constantes cinéticas:

S  Du

(y por lo tanto

=

k  D k U 

=

 A D  AU 

⎡ E  D − E U  ⎤ ⎥ ⎣  RT  ⎦

exp− ⎢

) aumenta más rápidamente con

que

(y

)

⇒ Operar reactor a la temperatura más alta posible.

Mantener reacción a

para maximizar 

pero no tan baja como para

detener la reacción.

Esta reacción en serie puede escribirse también como :

4

Reacción (1) Reacción (2)

Especie A:

Especie B:

Usando el factor integrante,

a t = 0, C B = 0

¿Cómo llevar a cabo la reacción para obtener la máxima concentración de B?

5

Entonces:

Y:

Encontrar la selectividad para el sistema

en un RCPA.

1. Balance molar para todas las especies. 2. Ley de velocidad: Velocidad neta de reacción para cada especie, p/ej.: r  A = Σ r iA 3. Estequiometría Fase líquida: Usar C A

Fases Gaseosa: Usar:

4. Combinar.

6

Tipo de Reactor

Fase Gaseosa

Fase Líquida

Batch

Semibatch

RCPA

RFP

RLF

OBS.: rA y rB corresponden a velocidades NETAS de formación.

Para N reacciones, la velocidad neta de formación de la especie A es:

Para una reacción i  dada:

7

k 1A está definida para la especie A

(1)

(2)

k 2C está definida para la especie C.

CASO 1: RFP Balances Molares

A:

B:

C:

D:

Leyes de velocidad

(Rxn i)

Especie A

8

Para la reacción (1):

 A+2B-->C Para la reacción (2):

3C+2A-->D

Especie B Especie C Epecie D

Estequiometría

Combinando

Especie A

9

Especie B

Especie C

Especies D

Evaluar Usando Polymath k 1A=0.5 k 2C=2.0

at t=0: V=0, CAO=4, CBO=4, CCO=0, CDO=0 3

Vf =5 dm

10

Especie A

Especie B

Especie C

Especie D

Se especifica V, C Ao, Cbo y las constantes de velocidad k ij. Se obtienen 4 ecuaciones con 4 incógnitas: C A, CB, CC y CD. Usar el resolvedor de ecuaciones no lineales de Polymath. Ingresar el balance molar combinado con las leyes de velocidad de la siguiente forma:

11

: Semibatch fase líquida Especie A

Especie B

Especie C

Especie D

V=VO+vOt

Evaluar usando Polymath Parámetros

Condiciones Iniciales

. 12

(1)

(2)

Balances molares A:

B:

C:

D:

13

Leyes de Velocidad

(Rxn i)

Especie A

Para reacción (1):

(dada)

Para reacción (2):

(1)

Especie B Especie C

(2)

(3)

Especie D (4)

Estequiometría (5)

Combinando

14

(6)

Evaluar Usando Polymath Parámetros

(7)

(8)

(9)

Condiciones Iniciales Usar el resolvedor de ecuaciones diferenciales ordinarias de Polymath.

15

A:

B:

C:

D:

Total: FT = FA + FB + FC + FD

5 ecuaciones y 5 incógnitas.

Usar el resolvedor de ecuaciones de Polymath.

16

Ejemplo 6-5: Para el siguiente sistema reactivo: Reacción 1:

NO + 2/3NH 3

 5/6N2 + H2O

Reacción 2:

2NO

→

Reacción 3:

O2 + 1/2N2

→

→

 N2 + O2

 NO2

Escribir los balances molares en un RFP en términos de los flujos molares de cada especie.

Solución: Reacciones F j P To C C = en fase  j TO FT Po T gaseosa

= C To

Concentracio nes:

F j FT

(Si T y P const.)

Flujo molar FT = F NO + F NH3 + F N2 + FH2O + FO2 + F NO2 total de gases: Balances molares: Para NO:

dF NO dV

1.5 2 = r  NO = −k 1 NO C NH3C NO − 2k 2 N 2 C NO

1.5

2.5 ⎛ F NH3 ⎞⎛ F NO ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟ = −k 1 NOCTO dV F F ⎝  T  ⎠⎝  T  ⎠

dF NO

Para NH3 :

dF NH3 dV

= r  NH3 = r 1 NH3 =

2 3

r 1 NO = −

2 3

2 ⎛ F NO ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ − 2k 2 N2CTO F ⎝  T  ⎠

2

1.5 k 1 NO C NH3 C NO

17

1.5

2.5 ⎛ F NH3 ⎞⎛ F NO ⎞ ⎟⎜ ⎟ = − k 1 NOCTo ⎜⎜ ⎟ ⎜ ⎟ dV 3 ⎝  FT  ⎠⎝  FT  ⎠

dF NH3

Para H2O:

2

dFH 2O

1.5 = r H 2O = r 1H 2O = −r 1 NO = k 1 NO C NH3 C NO

dV

1.5

2.5 ⎛ F NH 3  ⎞⎛ F NO  ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟ = k 1 NO C To dV F F ⎝  T  ⎠⎝  T  ⎠

dFH 2O

Para N2:

dF N 2 dV dF N 2 dV

Para O2:

dFO 2 dV

5

1

6

2

1.5 2 2 = r  N 2 = k 1 NO C NH3C NO + k 2 N 2 C NO − k 3O 2 C N 2 C O 2

=

1.5 2.5 ⎛ F NH 3  ⎞⎛ F No  ⎞ ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟ k 1 NO C To ⎜⎜ 6 ⎝  FT  ⎠⎝  FT  ⎠

5

+

2 ⎛ F NO  ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ k 2 N 2 C TO ⎝  FT  ⎠

2

⎛ F  ⎞ ⎛ F  ⎞⎛ F  ⎞ = k 2 N 2 C 2To ⎜⎜  NO ⎟⎟ − k 3O2 C3To ⎜⎜  N 2 ⎟⎟⎜⎜ O 2 ⎟⎟ dV ⎝  FT  ⎠ ⎝  FT  ⎠⎝  FT  ⎠

dF NO 2 dV

−

⎛ F  ⎞⎛ F  ⎞ k 3O 2 C 3TO ⎜⎜  N 2 ⎟⎟⎜⎜ O 2 ⎟⎟ 2 ⎝  FT  ⎠⎝  FT  ⎠

1

= r O2 = r 2O 2 + r 3O 2 = r 2 N 2 + r 3O 2

dFO 2

Para NO2:

2

= r  NO 2 = r 3 NO 2 = −r 3O 2

2

⎛ F  ⎞⎛ F  ⎞ = k 3O 2 C 3TO ⎜⎜  N 2 ⎟⎟⎜⎜ O 2 ⎟⎟ ⎝  FT  ⎠⎝  FT  ⎠

2

Datos: Flujos de alimentación F jo, temperatura y presión inicial (To y Po) y constantes cinéticas k ij. Debe resolverse el sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (Polymath).

18

2