Tipos de Reactores

REACTORES Se pretende en esta práctica estudiar los tres tipos de reactores más comunes en Ingeniería Química: Mezcla Completa, Flujo Arbitrario y Flujo Pistón. Se evaluará la variación que experimenta la concentración de un componente determinado en función del tiempo, en cada uno de los reactores anteriormente citados. Luego se contrastará la variación experimental observada con la obtenida teóricamente, a partir de un balance de materia aplicado a un componente en régimen no estacionario. Introducción teórica Un balance de materia es una forma de expresar la ley de conservación de la materia. Todo balance debe referirse a un sistema bien definido, que se denomina volumen de control. La elección de este en principio es arbitraria , pero es necesario identificarlo previamente de forma explícita. Un balance puede expresarse como ENTRADA+GENERACIÓN =SALIDA+ACUMULACIÓN ENTRADA es lo que cruza los límites del sistema de fuera a adentro en un tiempo t determinado. GENERACIÓN es lo que aparece dentro del sistema sin estar presente inicialmente, ni haberse transferido a través de los limites del mismo. SALIDA es lo que cruza los límites del sistema de dentro hacia fuera. ACUMULACIÓN es lo que hay dentro del sistema en un tiempo t+ t, menos lo que había en el tiempo t. Puede ser positiva o negativa. Dicha expresión puede aplicarse a cualquier propiedad (materia, energía, cantidad de movimiento, etc.) de forma global o individual para cada uno de los componentes (i) que comprende dicha propiedad. Aplicando las anteriores consideraciones teóricas al reactor de mezcla completa representado en la figura siguiente obtenemos:

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Q , ce Q caudal de entrada(y de salida) Q,c

ce concentración de entrada(cte) c concentración de salida (variable) V volumen de control

V , co

co conc. inicial en el reactor

global individual (tiempo dt)

ENTRADA+GENERACION =SALIDA+ACUMULACION Q 0 Q 0 Qcedt 0 Qcdt Vdc

Q c e  c  dt  t 0  Vdc  c0 t

dt 

t

c

t

Vdc Q c e  c 



t0

c

dt 

V dc V   ln  c e  c  Q c ce  c Q



 cc

0

0

c c V ln e Q ce  c0

Al cociente V/Q se denomina tiempo de retención hidráulica(TRH) Representando gráficamente el logaritmo neperiano de las concentraciones frente al tiempo se obtendrá una recta cuya pendiente es -TRH. Si la corriente de entrada tuviese concentración nula (c e=0) la ecuación quedaría de la forma siguiente. t  TRH ln

c c0

c  c0 e



t TRH

Se partirá de una disolución concentrada de sal común (NaCl) y se observara su variación con el tiempo. La concentración de sal en el reactor puede evaluarse de forma continua mediante medidas de conductividad (son proporcionales). Para ello será necesario establecer esta relación mediante un calibrado. Modo de operar Calibrado de la concentración conductividad 2

Calibrar el conductivímetro según las instrucciones suministradas con el aparato, utilizando los patrones que se adjuntan. Preparar una disolución madre de 40 gr/litro de NaCl y obtener por dilución las correspondientes disoluciones(unas 8-10) que cubran el rango de concentraciones (desde 0 hasta 40 gr/l), midiendo la conductividad de cada una de ellas. Establecer la correlación ajustada por mínimos cuadrados. Ajustar el regulador acoplado al grifo para que suministre aproximadamente 5 litros/hora. Reactor de Mezcla Completa El reactor de mezcla completa de laboratorio esta constituido por un matraz kitasato, que mantiene su volumen constante en todo momento gracias al rebose. Dicho reactor estará continuamente agitado por medio de un agitador magnético. Si la agitación es correcta se cumplirá la condición mas importante de un reactor de mezcla completa: la concentración media del reactor y la de salida son iguales. El reactor estará lleno inicialmente de una solución de NaCl de 40 grs/l a la que pueden añadirse unas gotas de indicador para seguir visualmente la disminución de concentración. La alimentación estará constituida por agua del grifo, que dispone de una valvula auxiliar de regulación. Se podría suministrar el agua directamente del grifo pero no puede asegurarse la constancia del flujo) Una vez cebada la impulsión de la bomba, introducir la cánula proveniente del grifo dentro del reactor, poner en marcha el agitador magnético y comenzar la adición. Debido a la homogeneización que se produce en el reactor, la concentración de salida irá disminuyendo paulatinamente, por lo que se observará un descenso continuado de la conductividad y de la intensidad del color. Tomar datos de conductividad cada 2 minutos.Obtener una tabla de datos concentración-tiempo. Continuar pasando agua por el reactor hasta que la concentración sea aproximadamente un 10% de la inicial, ya que para la eliminación total de la sal sería necesario un tiempo infinito. Tener en cuenta que el agua del grifo también contiene sales disueltas (que supondremos son sólamente NaCl), por lo que tendrán un reflejo en la conductividad. Representar gráficamente la concentración de salida frente al tiempo. También el logaritmo neperiano de la relación de las concentraciones frente al tiempo. Ajustar por mínimos cuadrados.

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Reactor de Flujo Arbitrario Repetir exactamente todo el procedimiento anterior pero con el reactor SIN AGITAR. Representar igualmente la concentración de salida contra el tiempo. Valorar las diferencias con el caso anterior. Reactor de Flujo Pistón El reactor de flujo pistón de laboratorio esta constituido por un tubo de polietileno transparente. Seguir los mismos pasos que en los apartados anteriores. Medir el volumen de control. Llenar el reactor con la solución salina coloreada de manera que no queden burbujas en el tubo. En este caso, se observará a la salida una conductividad (y una intensidad de color) prácticamente constante hasta que se produce un descenso más o menos brusco, correspondiente a la conductividad del agua del grifo. Una característica del flujo pistón es que el agua entrante “empuje” al contenido del reactor como si fuese un émbolo. Representar igualmente la concentración de salida frente al tiempo.

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Introducción del trazador en forma de pulso Con objeto de determinar la velocidad media y el caudal de un río, se utilizará un trazador consitituído por una solución salina de 40 gr/l de Na Cl. Introducción teórica Dos  conclusiones  interesantes  pueden extraerse del análisis  del trazador en un punto aguas abajo del vertido del mismo: 1ª. Velocidad media Es el tiempo que tarda la nube de trazador en llegar desde el punto de vertido al punto de control. Si   no   existiese   dispersión   axial   del   trazador,   se   produciría   un   punta   de   concentración   bien definida. Sin embargo, debido al fenómeno antes comentado, se observa un aumento paulatino de la concentración, seguida de una disminución, pasando por un máximo. Puede calcularse la velocidad media del río a partir de este tiempo y de la distancia que separa el punto de vertido y el de control. v

d siendo d la distancia , t el tiempo de paso y v la velocidad media. t

2º. Caudal  Debido al  fenómeno anteriormente expuesto, no se obtiene en el punto de control un pulso neto de concentración , que nos permitiría fácilmente calcular mediante un balance de masas el caudal del río. Sin   embargo,   pude   deducirse   éste,   obteniendo   la   curva   de   concentración   del   trazador   e integrándola desde  t  0 hasta  t   . M Q



 C (t ) dt    siendo M la masa de trazador añadida y Q el caudal principal. 0

Modo de operar: Determinar   como   punto   de   vertido   aquel   que   asegure   una   correcta   y   rápida   dispersión   del trazador en la corriente de agua (justo aguas arriba de un salto o zona de gran turbulencia). Asimismo, elegir como punto de control un sitio cómodo y de buena accesibilidad. Medir la distancia entre ambos. Verter el trazador en el punto de vertido y aguardar su paso en un punto a medio camino entre el punto de vertido y el de control. En cuanto se detecte el comienzo de la “nube” de datos, el equipo analítico se desplazará al punto de control, con el fin de observar y medir su paso íntegramente. Tomar lecturas de conductividad, que luego serán referidas a concentración, cada 30 segundos. Ya en el laboratorio, dibujar la gráfica de concentración en función del tiempo en un papel milimetrado y calcular la integral bajo la curva. Calcular el caudal con la fórmula antes expuesta. El tiempo de paso coincide con el máximo de la curva. Puede deducirse asimismo la sección media del río a partir de los anteriores parámetros.

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