s elecci on deun reactor

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  • * Seleccin del ReactorLos Reactores son usados para convertir productos qumicos de un bajo costo en productos qumicos de mayor valor.El diseo de procesos empieza con el Reactor, y las decisiones ms importantes en el diseo son aquellas que conducen a la seleccin del reactor. Una buena performance del reactor es de suma importancia en la determinacin de la viabilidad econmica y en el impacto ambiental del proceso.

    La mayora de procesos es llevada a cabo en presencia de catalizadores. Su seleccin, as como las caractersticas y condiciones de operacin para el sistema de reaccin es muy importante. En la etapa del diseo se deben tomar decisiones concernientes a: Tipo de reactor Concentracin Temperaturas Presin Fase Catalizador

  • *Seleccin del ReactorRegla #1: Para una sola reaccinPara minimizar el volumen del reactor:Si el orden de la reaccin es n>0: mantenga la concentracin de reactantes tan alta como sea posibleSi el orden de la reaccin es n
  • *Seleccin del ReactorRegla #2: Para reacciones en serieConsidere las reacciones en serie siguiente: A R S Y ZLas reacciones mltiples en serie pueden ser del tipo: Alimentacin ProductoProducto Subproducto Alimentacin Producto + Subproducto 1Producto Subproducto 2 + Subproducto 3 Alimentacin 1 + Alimentacin 2 ProductoProducto subproducto 1 + subproducto 2

    Para maximizar cualquier producto intermedio, no mezcle fluidos que tienen diferentes concentraciones de los ingredientes activos (reactantes o productos intermedios). Esto se ilustra en la siguiente figura.Ejemplo: produccin de formaldehido de metanol

    CH3OH + O2 HCHO + H2OHCHO CO + H2

  • *Seleccin del Reactor

    Izquierda: Reactor plug flow (sin mezcla intermedia) da el mximo de todos los productos intermediosDerecha: La mezcla (a travs del reciclo) disminuye la formacin de los productos intermedios

  • *Seleccin del ReactorRegla #3: Para reacciones en paralelo

    Considere las reacciones en paralelo con orden de reaccin ni:Rdeseadan1 bajo ordenASn2 orden intermedioTn3 orden elevado

    La mejor distribucin de productos se conseguir aplicando los criterios:Baja concentracin de A (CA) favorece la reaccin de ms bajo ordenAlta concentracin de A (CA) favorece la reaccin de ms alto ordenSi la reaccin deseada es de orden intermedio, entonces alguna concentracin de intermedio CA dar la mejor distribucin de productosSi todas las reacciones son del mismo orden, la distribucin de productos no es afectada por el nivel de concentracin.123

  • *Seleccin del ReactorRegla #4: Para reacciones complejas

    Estas reacciones pueden ser analizadas simplificando las reacciones en sus componentes de reacciones simples en serie y en paralelo. Por ejemplo, para las siguientes reacciones elementales donde R es el producto deseado, la serie de complejas reacciones es simplificada como sigue:

    A + B RA R SRR + B SBS Esta divisin significa que A y R deberan estar en un reactor plug flow sin ningn reciclo, mientras que B puede ser introducido en el esquema de reacciones como se desee, a cualquier nivel de concentracin ya que no ser afectado por la distribucin de productos

  • *Seleccin del ReactorRegla #5: Operaciones continuas versus no continuas

    Cualquier distribucin de productos que pueda ser obtenida en operaciones de flujo continuo en estado estable pueden ser tambin obtenidos en una operacin batch. Esto se ilustra en la siguiente figura

  • *Seleccin del ReactorRegla #6: Efecto de la temperatura en la distribucin de productosDados: Rk1=k1oe-E1/RTA R SAS k2=k2oe-E2/RT

    Altas temperaturas favorecen la reaccin con Energa de Activacin mayor, mientras que a bajas temperaturas favorece la reaccin con Energa de activacin pequea.

    Ejemplo: Evolucin de temperaturas en sistemas de reacciones mltiplesConsidere el siguiente esquema de reacciones elementales:RUE1=79 KJ/molAE2=113 KJ/molTSE3=126 KJ/molE4=151 KJ/molE5=0121212345

  • *Seleccin del ReactorEjemplo: Evolucin de temperaturas en sistemas de reacciones mltiplesQue progresin de temperaturas recomendara si el producto deseado es:RSTUConsidere que el tamao del reactor no es importante

    Solucin:Objetivo: R como producto deseadoDeseamos que la reaccin 1 sea rpida comparada con la reaccin 2As mismo deseamos que la reaccin 1 sea rpida comparada con la reaccin 3.Desde que E1

  • *Seleccin del ReactorSolucin:Objetivo: producto SEn este caso lo que importa es la velocidad de reaccin tan rpida como sea posible para producir S. Entonces use un reactor tipo plug flow y alta temperatura.Objetivo: Intermedio Ten este caso queremos que la reaccin 2 sea rpida comparada con la reaccin 1, y adems que la reaccin 2 sea rpida comparada con la reaccin 4.Desde que E2>E1 y que E2
  • *Seleccin del ReactorSeleccin de la ruta de Reaccin:

    A menudo hay un nmero del rutas de reaccin alternos para la produccin de un producto. Aquellos que usan las materias primas mas baratas y producen las ms pequeas cantidades de sub-productos generalmente son los preferidos. Aquellas rutas que producen cantidades significativas de sub-productos no deseados deben ser evitados porque pueden crear problemas ambientales.

    Hay otros factores que tambin deben ser considerados en la seleccin de la ruta de reaccin: comerciales (preciso de materia prima y subproductos), seguridad, consumo de energa, etc.

    La falta de catalizadores adecuados es la razn ms comn que restringe la explotacin de rutas de reaccin novedosas. En la primera etapa del diseo, es imposible vislumbrar todas las consecuencias de la seleccin de determinada ruta.

  • *Seleccin del ReactorEjemplo: Produccin de cloruro de vinilo:

    Ruta 1: C2H2 + H Cl C2H3Clacetileno acido clorhidrico cloruro de vinilo

    Ruta 2: C2H4+Cl2C2H4Cl2etilenoclorodicloroetano

    C2H4Cl2 C2H3Cl + H Cl dicloroetano cloruro de vinilo acido clorhidrico

    Ruta 3: C2H4 + O2 + 2 HCl C2H4Cl2 + H2O etileno oxigeno acido clorhidrico dicloroetano agua C2H4Cl2 C2H3Cl+ H Cl dicloroetano cloruro de vinilo acido clorhidrico Los valores del mercado y peso molecular de los materiales involucrados es dado en la tabla 1. Considerar el oxgeno disponible en la atmsfera. Cul ruta de reaccin escogera sobre la base de los valores de materia prima y subproductos?

  • *Seleccin del ReactorEjemplo: Produccin de cloruro de vinilo:Tabla 1

    Solucin:Las decisiones pueden ser hechas en base al potencial econmico del proceso. En esta etapa lo mejor que se puede hacer es definir el potencial econmico del proceso como:PE = valor de productos - costos fijos costos variables - impuestosSin embargo en las etapas preliminares del diseo generalmente no es posible tomar en cuenta todos los costos fijos y costos variables (porque el diagrama de flujo est en su etapa preliminar y no se han dimensionado equipos). Asimismo no es prctico en esta etapa el clculo de los impuestos.

    MaterialPeso MolecularValor $/kgAcetileno260.94Cloro710.21Etileno280.53Acido Clorhidrico360.35Cloruro de Vinilo620.42

  • *Seleccin del ReactorSolucin:En esta etapa entonces el potencial econmico estar definido por:PE = valor de productos costos de materia primaAplicando los valores para cada ruta de reaccin:

    Ruta 1:PE = (62x0.42)-(26x0.94+36x0.35)PE = - 11.0 $/kmol cloruro de vinilo

    Ruta 2:PE = (62x0.42+36x0.35)-(28x0.53+71x0.21)PE = 8.89 $/kmol cloruro de viniloEste clculo asume que el subproducto HCl ser vendido. Si no puede ser vendido, entonces:

    PE = (62x0.42)-(28x0.53+71x0.21)PE = - 3.71 $/kmol cloruro de viniloRuta 4:PE = (62x0.42)-(28x0.53+ 36x0.35)PE = - 1.40 $/kmol cloruro de vinilo

  • *Seleccin del ReactorSolucin:Las rutas 1 y 3 son claramente no viables. Solo la ruta 2 muestra un potencial econmico positivo cuando el subproducto cido clorhdrico es vendido. En la prctica esto es muy difcil porque el mercado de cido clorhdrico es muy limitado. En este punto, podramos vislumbrar otra ruta de produccin de cloruro de vinilo?

    Si observamos la estequiometra de las tres rutas del ejemplo vemos que si sumamos las rutas 2 y 3 podramos producir el cloruro de vinilo, segn:Ruta 2: C2H4 + Cl2 C2H4Cl2

    Ruta 3:C2H4 + O2 + 2 HCl C2H4Cl2 + H2O2 C2H4Cl2 2 C2H3Cl+ 2 H ClSumando estas tres ecuaciones obtenemos la estequiometra total para la nueva ruta de reaccin:Ruta 4: 2 C2H4Cl2 + Cl2 + O2 2 C2H3Cl + H2O C2H4Cl2 + Cl2 + O2 C2H3Cl + H2O

  • *Seleccin del ReactorSolucin:El potencial econmico para esta ruta estar dado por:PE = (62x0.42)-(28x0.53+1/2x71x0.21)PE = 3.75 $/kmol cloruro de vinilo

    Resumiendo, la ruta de reaccin 2 es la ms atractiva si es que hubiera un mercado grande para el cido clorhdrico. En la prctica es muy difcil vender grandes cantidades de este cido. La ruta 4 es la ruta ms usada comercialmente para la produccin de cloruro de vinilo

  • *Performance de ReactoresPara entender completamente la performance de un reactor en el contexto de un proceso qumico deben considerarse los siguientes efectos:Cintica de la reaccin y termodinmica. La influencia de la T, P, concentracin en la performance de un reactor es definida por la cintica y el equilibrio. Estas variables afectan la velocidad de reaccin y determinan el extent hasta donde los reactantes pueden ser convertidos en productos en un reactor dado, o el tamao del reactor para alcanzar una conversin dada. Cul es el rol de los catalizadores?

    Parmetros del reactor. Estos incluyen el volumen del react

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