Reactores Bibliografia

 

Reactores Homogéneos El Profe Willi󰁡m Sánchez Ortiz

 

CONTENIDO • Introducción • Tipos de Re󰁡ctores • Re󰁡ctores Homogéneos • Tipos de Re󰁡ctores Homogéneos

 

INTRODUCCIÓN 󰁡

¿Que es un re ctor?

Es un equipo e quipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, química, diseñado para maximizar la conversión y la selectividad de esa reacción con el menor coste posible. Un Reactor Químico es el dispositivo donde ocurre un cambio en la composición  composición  debido a la reacción química Es cualquier recipiente cualquier recipiente donde ocurre una reacción química

 

INTRODUCCIÓN Cuestionamientos que tiene uno a partir del conocimiento de los Reactores

¿Como selecciono el mejor tipo de reactor para una reacción química? ¿Cual es el tamaño que se requiere?

¿Cuales son las mejores condiciones de operación?

 

Tipos de Rea Reactores ctores

Reactores

Operación

Flujo

Fases

Discontinuos

Ideal

Homogéneas

Continuos

No - ideal

Heterogéneas

 

Reactores Rea ctores por fases Homogéneos.-

Aquel que presenta una sola fase y por tanto su compasión es idéntica en cualquier parte del sistema.

Heterogéneos.-

 Aquel que presenta más de una fase por que la reacción química lo requiere.

 

Reactores Rea ctores Homogéneos Los reactores homogéneos son aquellos donde los reactivos, inertes y catalizadores se hallan en la misma fase (líquido fase (líquido en reactores tipo tanque o 󿬂uido en los tubulares).

Batch

CSTR

Flujo Pistón

 

Reactores Rea ctores Homogéneos

Operación:

Carga -> Operación -> Descarga

Batch

Carga ->Acondicionamiento ->Acondicionamiento -> Operación -> Descarga Usos:

Farmacéutica, procesos de fermentación, productos de alto valor agregado, reacciones en fase líquida, tiempos largos de reacción y pequeña cantidad de producto Diseño: El reactor es cargado mediante dos ori󿬁cios de la parte superior del tanque El calentamiento o enfriamiento enfriamiento se realiza fácilmente con el uso de una chaqueta de enfriamiento o calentamiento Cuando la reacción se esta es ta llevando a cabo, ningún compuesto ingresa o sale s ale del reactor hasta que la reacción culmine Contiene un agitador agitador que permitira p ermitira realizar el mezclado de los reactantes

 

 

Reactores Rea ctores Homogéneos Batch

Características: Es un sistema cerrado; m = cte El tiempo de residencia = para todos Las concentraciones cambian con el tiempo La composición y la temperatura son homogéneas; homogéneas; t > 0 Adición de un intercambiador intercambiador de calor para controlar la temperatura

Balance de Materia:

Entrada - Salida + Generado - Consumo = Acumulado Consumo = -Acumulado Reacción Generica aA + bB +cC+ …. -> pP+ qQ + sS+ …

 

Reactores Rea ctores Homogéneos Batch Ventajas Flexible Flex ible.. Elmismo reactor reactor puede pue de ser utiliza utilizado do para producir diferentes productos productos  Alta conversión por unidad de volumen  El tanque es fácilmente calentado o enfriado por una camisa  Fácil de parar parar y limpiar

Desventajas Altos costos de operación  La calidad del producto pro ducto es mas mas variable que con los los reactores de operación continua Principalmente usados en fase líquida

 

Reactores Rea ctores Homogéneos

Reactor de Mezcla Completa de Flujo Continuo

CSTR Operación:

Carga(t0) ->Entrada-> Generación -> Salida

Usos:

Son utilizados mayormente en la elaboración de Papel, en re󿬁nación principalmente, en la metalurgia, en vidrio, en cemento, y son utilizados en una menor cantidad en industrias alimenticias y farmacéuticas Diseño: Consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un 󿬂ujo continuo de material reaccionante reaccionante y desde el cual sale s ale continuamente el material que ha reaccionado reaccionado Tiene un agitador agitador que permite que alcance una buena mezcla siempre y cuando la fase lí quida quida no sea demasiada viscosa El reactor es rodeado por una cámara (camisa de refrigeraci refrigeración) a través del cual 󿬂uye un

lí quido quido refrigerante  

Reactores Rea ctores Homogéneos CSTR

Características: 󿬁

Agitación e ciente, todos los elementos bien distribuidos Todos los elementos pueden abandonar el reactor en cualquier momento Distribución del tiempo de residencia Tiempo corto - en la entrada y salida salida   Tiempo largo - participación en el proceso de agitación Concentración y temperatura uniforme (dentro y salida del reactor)

Cambio en escalón de las propiedades del valor de entrada al valor de salida Velocidad de reacción es constante La densidad no necesariamente neces ariamente es constante; entrada ! salida Adición de un intercambiador intercambiador de calor para controlar la temperatura

Balance de Materia:

Entrada - Salida + Generado - Consumo = Acumulado Entrada + Generado - Consumo = salida

 

Reactores Rea ctores Homogéneos

Alimentación

CSTR Ventajas Buen control de la temperatura. Fácil de adaptar adaptar a dos fases Bajo costo de operación Operación en estado estacionario. Utilizados en serie Simple construcción Utilizados cuando se requiere agitación

Desventajas Baja conversión por unidad de volumen Posible bypass y canales con agitación agitación pobre No recomendado para altas presiones Principalmente usados en fase gaseosa

Mezcla Uniforme

 

Reactores Rea ctores Homogéneos Flujo Pistón

Usos:

Se usa para modelar transformaciones químicas de compuestos que se transportan en sistemas que parecen tuberías. Se utilizan para realizar reacciones en fase 󿬂uida í 

(gaseosa, l quida o pulverulenta), reacción con altas velocidades de Diseño: Es un recipiente de simetrí a de revolución, generalmente cilí ndrico, ndrico, en el que se supone que las condiciones en todos los puntos de una misma sección transversal al eje principal del reactor son los mismos en todo instante Están indicados para grandes producciones en las cuales no existe gran variabilidad ni en las condiciones de reacción ni en las del producto obtenido Al ser grandes los volumenes de producción los costes repercutidos por el precio de las instalaciones en el producto 󿬁nal es muy bajo

 

Reactores Rea ctores Homogéneos Flujo Pistón

Características: Las reacciones químicas se desarrollan en un sistema abierto Ninguna de las propiedades del sistema varia con relación al tiempo en una posición dada La temperatura, la presión y la composición varían con relación a la longitud del reactor No existe mezclado axial del 󿬂uido dentro del recipiente La densidad de las corrientes puede cambiar en la dirección del 󿬂ujo Puede existir transferencia de calor a través través de las paredes del reactor

Balance de Materia:

Entrada - Salida + Generado - Consumo = Acumulado Entrada + Generado - Consumo = salida

 

Reactores Rea ctores Homogéneos Flujo Pistón Ventajas Alta conversión por unidad de volumen Bajo costo de operación Recomendado para altas presiones Operación en estado estacionario Recomendado para rx heterogéneas (caso sólidos-gas; sólidos-gas; etc)

Desventajas Posibles gradientes térmicos indeseados Di󰁦 ícil ícil control de temperatura Las paradas y limpiezas pueden ser costosas

Alimentación

Producto

 

El % de uso de los reactores para algunas industrias

 

Elección cuanto a modo de operación

 

Uso comunes basados en el modo de operación

 

Bibliogra󰁦ía Diseño de reactores homogéneos. homogéneos. Román Ramírez López e Isaías Hernández Pérez. CENGAGE Learning Ingeniería de Reactores. Reactores. Jesús M. Santamaría, Santamaría, Javier Javier Herguido, et a al.l. Ed. Ciencias Químicas o Ed Síntesis Ingeniería de las reacciones químicas 3era Ed. Ed. Octave Levenspiel. Limusa Wiley

 

ECUA ECU ACIONES DE DISEÑO DISEÑO Batch

 

Reactor Discontinu Discontinuo o o por lotes

 x A t = n Ao  Ao

 !  0

1

"( r  A V )

dX  A

Para sistemas en general Volumen constante: situación que suele encontrarse para muchos sistemas de reacción líquidos de densidad constante y para gases a presión constante o sin cambio en el número de moles en la rreacción eacción A) (-r1

C   AA

t = "

1

 !  "(  r C  A o

 A

)

t

d C  A

CA

CA

CA0  

Reactor Disconti Discontinuo nuo o por lotes

Caso de volumen variable, pero presión y temperatura constantes

 x  A t = C  Ao

1

 ! 

  dX A

0

1 t C A0

xA

 

Reactor Disconti Discontinuo nuo o por lotes

Estimación del volumen del reactor para una determinada productividad en fase líquida. masa =  P   B tiempo

• dónde

tiempo de reacción  t  = tiempo r

t  = tiempo muerto  m

C 

 B

´

t 

cd cd

= Concetración másica 

= # V = Tiempo de carga y descarga  

#  =  Dep end e del d el ssis istem tema a d e ca rga rg a y de desca scarg rga a  

EJEMPLO Batch Se desea llevar a cabo la reacc reacción ión de primer orden A ! R en un reactor discontinuo operado isotérmic isotérmicamente amente para obtener 5.890,5 moles de calefacción R por día con conversión 99% del reac reactante A alimentado.¡La operación de carga y de deluna reactor hasta ladel temperatura dereacción requiere 0,38 h, y descargarlo y prepararlo para la siguiente carga requiere otras 0,9 h. Calcular el volumen de reactor necesario sabiendo que en las condiciones de reacción la constante cinética vale 0,015 min-1, que la alimentación es reactante A puro (CA0 = 8,5 mol A/L) y que reactor puede trabajar como máximo 13 h por día.

 

 

Ecuaciones Ecuaci ones de D Diseño iseño Tipo

Diferencial



%$Reactor intermitente

'  "#

Algebraica

$&  

=(

 

%

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( !)   )

' "#

"

(

Reactorr e mezc Reacto mezc a completa, CSTR 

 "#

$(

Reactor flujo pistón, PFR 

+ "#

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Integral

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= ∫ −) (   ( ) "

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