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reactores

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  • 1CALCULO DEREACTORES

    Prof. Moira Mirandawww.moodle2.ula.ve

    Bibliografa

    Elementos de la Ingeniera de lasReacciones Qumicas. H. Scott Fogler.Prentice Hall.Ingeniera de las reacciones qumicas.Octave Levenspiel. Editorial Reverte.The Engineering of Chemical ReactionsLanny D. Schmidt. Oxford University

  • 2Programacin

    4 parciales ( 90 %)Proyecto final ( 10 %)Tareas en base a los parciales

    Objetivos del curso de Calculo de Reactores

    Conocer los principios bsicos deldiseo de reactores para determinar:

    1. Tamao del reactor y tipo de reactor2. Condiciones de operacin T, P3. Alimentacin, composicin.4. Productos, impurezas

  • 3El reactor qumico es el corazn de cualquierproceso qumico

    ProcesosSeparacin

    ProcesosSeparacin

    Procesosqumicos

    Introduccin

    materiales productos

    10-25% costo total

    Mejoras en el reactor usualmente tiene gran impactoen los procesos de separacin

    Que necesitamos saber

    El ingeniero qumico casi nunca encontrarauna simple reaccin en fase ideal.

    Los reactores reales son extremadamentecomplejos con mltiple reacciones, mltiplesfases, diferentes patrones de flujo y mltiplescorrientes de salida y entrada.

    El ingeniero qumico usualmente encontraraun reactor que ha sido construido hacedcadas el cual ha sido modificado y operalejos de las condiciones iniciales de diseo.

  • 4Que necesitamos saber

    Muy pocas veces el ingeniero tiene la oportunidad de disear unreactor desde el inicio. Bsicamente las tareas tpicas delingeniero son:- Mantener y operar el proceso- Identificar algunos problemas- Incrementar la capacidad y selectividad a un mnimo costo.

    Los procesos reales involucran mltiples reactores. Esto puedeser simplemente reactores en serie con diferentes conversiones,temperaturas de operacin o catalizadores

    ReactorQumicoCintica

    Transferenciade masa

    Transferenciade calor

    termodinmica

    fluidos

    Matemticas

    ProcesoQumico

    Controlprocesos

    diseo

    $$

    Que necesitamos saber

  • 5Si se desea realizar un proceso qumico con la finalidad de transformaralgunos reactivos en productos, nosotros debemos responder algunaspreguntas bsicas:

    Formular la ecuacin de la reaccinEstequeometraQu tan rpida ser la reaccinCinticaQu podemos esperar en el caso ptimoTermodinmicaQu tipo de reactor debemos usar para esta reaccinDiseo de reactoresCual es el rendimiento en el reactorCintica, limitaciones en transferencia de materia y calor

    Reactores y Reacciones

    Es la ley de conservacin del numero de tomos durante la reaccinEjemplo: La combustin del gas natural (metano) puede serescrita como

    CH4 + 2O2 CO2 + 2H20o equivalente

    1/2CH4 + O2 1/2CO2 + H20

    Obviamente, ambas reacciones estn balanceadas y el nmero detomos de C, H y O en cada lado de la ecuacin son los mismos.Los coeficientes estequeomtricos pueden ser multiplicados porcualquier constante y el balance de tomos permanecer.

    Esto quiere decir que no hay una nica manera de escribir la ecuacin

    Estequiometra

  • 6Cintica

    Cintica

  • 7Conceptos bsicos

    Reaccin qumica: cuando un nmero detectable demolculas de una especies han perdido su identidad yhan asumido una nuevo:

    NaOH + HCl NaCl + H2O

    Un especie qumica puede perder su identidad de tresmaneras:

    DescomposicinCombinacinIsomerizacin

    Conceptos bsicos

  • 8Reacciones Homogneas:

    g g g

    Reacciones heterogneas:

    s g g

    Reacciones ireversiblesReacciones reversibles

    Reacciones Simples:

    Reacciones multiples:

  • 9Nota: menos

    Unidades (rA) or ( rA)

    Velocidad de reacciVelocidad de reaccin (n (--rrAA) para reacciones homog) para reacciones homogneasneas

  • 10

    Velocidad de reacciVelocidad de reaccin para reaccionesn para reaccionesheterogheterogneasneas

    Para reacciones heterogneas, la velocidad dedesaparicin de la especie A es denotada como (-rA')

    Las reacciones heterogneas de inters sonprincipalmente catalticas. Consecuentemente, lavelocidad es definida en trminos de la masa delcatalizador presenteUnidades of (-rA')mol por unidad tiempo por masa de catalizadormol/s-g or kmol/hr-kg catalizador

    Es (Es (--rrAA) =) = dCdCAA/dt/dt ??

    Operacin en estado estacionario

  • 11

    Velocidad de reacciVelocidad de reaccinn

    donde, f

    Orden de reacciOrden de reaccinn

    El orden de reaccin se refiere a las potencias a las que lasconcentraciones se elevan en la ley de la velocidad

  • 12

    Orden de reacciOrden de reaccinn

    (-rA) = k CA3/2CB2

    Ordenes de reaccin aparentes

    2N2O 2N2 + O2

    N O N ON O

    O

    K Cr

    k C

    Orden de reacciOrden de reaccinnOrden cero

    (-rA) = kk= mol/lt.s

    Primer orden(-rA) = kACA

    k= s-1

    Segundo orden(-rA)= kCA2

    k= lt/mol.s

  • 13

    Reacciones elementales y no elementalesReacciones elementales y no elementales

    Velocidad de reacciVelocidad de reaccin relativasn relativas

    A B R A B Rr r r r r ra b c

  • 14

    Velocidad de reacciVelocidad de reaccin relativasn relativas

    k k k

    MolecularidadMolecularidad y orden de la reacciy orden de la reaccinn

    La molecularidad de una reaccin elemental es elnmero de tomos, iones o molculas que intervienen(chocan) en el paso de la reaccin que limita lavelocidad. Los trminos unimolecular, bimolecular ytermolecular se refieren a reacciones que intervienenuno, dos y tres tomos o moleculas.

    La molecularidad es un nmero entero

  • 15

    Termodinmica

    TermodinTermodinmicamica

    La termodinmica suministra dos fuentes importantesde reaccin: El calor desprendido o absorbido durante la reaccin La extensin mxima posible de la reaccin.(constante de equilibrio)

    KRTG

  • 16

    Ejemplo: Para la siguiente reaccin

    CO2 + H2O CO + H2

    Calcule la cantidad de cada especie presentes al equilibrioa una temperatura de 800 K, si la variacin de la energalibre de Gibs=-2160 cal/mol. Moles CO2=2, Moles H2O=1

    K

    KmolKcal

    molcalK

    3x/3x/3

    (1-x)/3(2-x)/3yi

    TotalH2

    CO2

    H20CO

    cambioinicial0.3862-x2

    330.281x00.281x00.0531-x1

    xxx

    xxxxK

    X=0.842

  • 17

    Diseo de Reactores

    Diseo de reactores

    Una vez estudiada la cintica de la reacciny las variables que afectan esta, el

    problema es determinar el tamao y tipo dereactor para obtener la cantidad de

    producto requerido.

  • 18

    Clasificacion de los reactoresMtodo de operacin

    batchcontinuos

    Nmero de faseshomogneosheterogneos

    Modo de operacinisotrmicoadiabticono isotrmico no adiabtico

    TiposTipos dede ReactoresReactores Reactor Batch oReactor Batch o porpor loteslotes

    El reactor es alimentado por eltope del tanqueMientras la reaccin es llevadaa cabo nada es agregado oremovidoEl tanque es fcilmentecalentado o enfriado por unchaquetaUtilizados en pequea escala( farmacutica, fermentacin)

  • 19

    VentajasAlta conversin porunidad de volumen.Flexible. El mismoreactor puede serutilizado para producirdiferentes productos.Fcil de limpiar.

    DesventajasAltos costos de operacinLa calidad del producto esmas variable que con losreactores de operacincontinua

    Reactor Batch oReactor Batch o porpor loteslotes

    Reactores de tanque con agitacin continua RAP

    Operacin en estadoestacionario. Utilizados en serieBuena mezcla conduce a unauniforme concentracin ytemperaturaPrincipalmente usados en faseliquidaDeseable para lquidos viscososUtilizados cuando agitacin esrequerida

  • 20

    VentajasOperacin continua.Buen control de latemperatura.Fcil de adaptar a dosfasesSimple construccinBajo costo de operacinBuen controlFcil de limpiar

    DesventajasBaja conversin por unidad devolumenPosible bypass y canales conagitacin pobre

    Reactor RAPReactor RAP

    Reactores de flujo continuo

    Operacin en estado estacionario.Principalmente usados en fasegaseosa.No existe variacin radial en laconcentracin y velocidad de lareaccin.La concentracin cambia con lalongitud del reactorUsados en grandes escalas, enreacciones rpidas, homogneas yheterogneas .Altas temperaturas

  • 21

    VentajasOperacin continua.Alta conversin porunidad de volumenSimple construccinBajo costo de operacinBuena transferencia decalor.

    DesventajasPosibles gradientes trmicosindeseadosDifcil control de temperaturaLas paradas y limpiezaspueden ser costosos

    Reactores de flujo continuo

    Reactores de lecho empaquetado

    Operacin en estado estacionario.Tubular reactor con partculasslidas.Principalmente usados en fasegaseosa/ catalizadoresUsados en reaccionesheterogneas

  • 22

    VentajasAlta conversin porunidad de masa decatalizador.Bajo costo deoperacinOperacin continua.

    DesventajasPosibles gradientestrmicos indeseadosDifcil control detemperaturaLas paradas y limpiezaspueden ser costosas

    Reactores de lecho empaquetados

    Operacin en estadoestacionario.Temperatura uniformePrincipalmente usados en fasegaseosaComo en los reactores RAP losreactantes estn bienmezclados

    Reactores de lecho fluidizado

  • 23

    VentajasAlta conversin porunidad de masa decatalizador.Temperatura uniformeEl catalizador puede serregenerado con el uso deun lazo auxiliar.

    DesventajasLa fuerte agitacin puedegenerar la destruccin delcatalizadorExiste incertidumbre en elescalado a equipos industriales

    Reactores de lecho fluidizados

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