Reactor Es

REACTORES FISICOQUIMICA IIPROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 1 REACTORES Un reactor Químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando este diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o un organismo que la contiene, se habla se bioreactores. Funciones de un Reactor En la mayoría de los casos, un Reactor tiene tres funciones : 1) Proporcionar el tiempo de residencia. 2)La transmisión de calor. 3)La agitación o mezcla de las fases. REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 2 Diseño de un reactor TIPOS PRINCIPALES DE REACTORES QUÍMICOS Se clasifican: •Por la forma de obtener la producción •Por la forma de efectuar la reacción química REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 3  Por la forma de obtener la producción ◦ Reactores batch ◦ Reactores semicontinuos ◦ Reactores continuos  Reactores de tanque agitado continuo (CSTR)  Reactores tubulares (PFR)  Reactores de lecho móvil ◦ Reactores continuos con recirculación TIPOS DE REACTORES  Por la forma de obtener la producción TIPOS DE REACTORES Reactores batch: Son aquellos que trabajan por cargas, es decir se introduce una alimentación y se espera un tiempo dado, que viene determinado por la cinética de la reacción, tras el cual se saca el producto. Reactores semicontinuos: un reactivo puede ser adicionado cuando la reacción está en proceso. Reactores continuos: Son todos aquellos que trabajan de forma continua a) CSTR: supone un flujo de alimentación y salida uniformes y una agitación perfecta, esto es, en todos los puntos del reactor la composición y propiedades físicas del fluido son iguales. Por esta misma razón la corriente de salida tiene la misma composición y propiedades que el fluido que se encuentra en el interior del reactor. La operación del CSTR se realiza en condiciones de estado estacionario, esto es, no hay acumulación dentro del reactor. En esas condiciones desaparece el término de dependencia con la variable tiempo. REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 4  b) Reactor Tubular: se caracteriza porque el flujo de fluido a su través es ordenado, sin que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después de aquel, esto es, no hay mezcla en la dirección de flujo (dirección axial). Como consecuencia, todos los elementos de fluido tienen el mismo tiempo de residencia dentro del reactor  c) Reactores de lecho móvil: El lecho de partículas se mueves continuamente del reactor a un recipiente anexo, donde se limpia y regenera el catalizador, cuando este exista. Es un diseño util para procesos en los que hay un gran desprendimiento de calor o reacciones en que se forman productos no deseados que ensucien el catalizador Continuación…. Reactor batch Mezcla perfecta No hay flujo de entrada ni de salida REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 5 Reactor de tanque con agitación contínua (Continuous Stirred Tank Reactor) CSTR Mezcla perfecta Estado estacionario Reactor tubular (Plug Flow Reactor) PFR No hay gradientes radiales..solo axiales Estado estacionario REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 6  Por la forma de efectuar la reacción química. TIPOS DE REACTORES •Reactores homogéneos: tienen una sola fase líquida o gas. •Reactores heterogéneos: Tienen varias fases, gas-sólido, liquido-sólido, gas-líquido, liquido-líquido, gas-líquido-sólido. •Reactores no catalíticos •Reactores catalíticos •Reactores catalíticos de lecho fijo •Reactores catalíticos de lecho fluidizado •Reactores bioenzimáticos o bioreactores Reactores ideales Para el diseño de un reactor se establece un modelo teórico para su desarrollo. A este tipo de reactor se le denomina ideal y establece los parámetros a groso modo que un reactor debe cumplir. Dentro de la idealidad existen básicamente tres tipos de modelos de reactores: 1. Reactores discontinuos (batch) 2. Reactores de tanque con agitación continua (CSTR) 3. Reactores de flujo en pistón (PFR) En muchas situaciones estos modelos ideales son válidos para casos reales, en caso contrario se habrán de introducir en los balances de materia, energía y presión términos que reflejen la desviación de la idealidad. Por ejemplo, si la variación de las propiedades se debe a fenómenos de transporte de materia o calor se pueden introducir las leyes de Fick o Fourier respectivamente REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 7 Velocidad de reacción, r j  Se define como la velocidad de formación o desaparición de la especie j por tiempo por unidad de volumen.  Se expresa en términos de: la concentración de los componente, temperatura, presión, tipo de catalizador (si lo hay)  Es independiente del tipo de sistema de reacción (batch o continuo)  Es función de la posición desde un punto a otro del sistema REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 8 Modelo Matemático  Se puede controlar ◦ Caudales ◦ Temperatura ◦ Presiones  Estas variables llevan a considerar: ◦ Dimensiones del equipo ◦ Materiales de construcción ◦ Necesidad: calefacción, refrigeración, compresión, etc.  Todo para cumplir con: ◦ Conservación de la materia ◦ Conservación de la energía ◦ Conservación de la cantidad de movimiento REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 9 El reactor es un sistema Balance de moles sobre la especie j en un instante en el tiempo t, Acumulación = Entradas- salidas + generación G j = (-r j )V= generación de j en el reactor  Todas las variables son uniformes a través del volumen del sistema •Ecuación básica de diseño para la ingeniería de reacciones químicas REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 10 Fogler, H. S., Elements of Chemical Reaction Engineering, 4 th Ed, p. 99 Reactores discontinuos (BATCH)  Ecuación de diseño en reactores Batch No tiene entrada ni salida de reactantes o productos Acumulación = generación Integrando REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 11 Continuación…  Ecuaciones de diseño, en función de la conversión CONTINUACIÓN…..  Moles de A que permanecen en el reactor después de un tiempo t, N A Si V= V 0 (1+ε A X A ) donde ε A = coeficiente de expansión Cuando es una reacción en estado gaseoso se introduce el coeficiente de expansión REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 12  Si se sabe cual es el orden de reacción se puede sustituir r A en la ecuación anterior por la correspondiente ecuación de velocidad.  Ejemplo Consideremos la reacción exotérmica en fase gaseosa A 4 R a)Calcular el factor de expansión b) Volver a calcular el factor de expansión si al principio está presente un 50% de inertes moles de entrada= 1A+1Inertes=2 moles de salida= 4R+1inertes= 5 REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 13 Ecuaciones de diseño para sistemas a flujo  Donde F A = Velocidad de flujo molar para el cual A sale del sistema (moles/tiempo) ó (mmoles/tiempo) F A0 = Velocidad de flujo molar para el cual A es alimentado al sistema (moles/tiempo) ó (mmoles/tiempo) F A0 X A = Velocidad de flujo molar para el cual A se consume en el sistema. (moles/tiempo) ó (mmoles/tiempo) Reactor de tanque agitado CSTR F A0 ;F A = moles de A que entran y salen del sistema por unidad de tiempo T E ; T s = temperatura de entrada y salida del sistema C A0 ; C A = concentración de A en la corriente de entrada y salida REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 14 Continuación…  Acumulación = Entradas- salidas + generación Ejemplo: En un reactor de 0.1L cuya concentración inicial de A es 100 mmol/L se obtuvieron los siguientes datos Q A (L/hr) C A (mmol/L) 30.0 85.7 9.0 66.7 3.6 50.0 1.5 33.0 a) Calcular el orden de reacción b) ¿Cuál es el volumen del reactor si la conversión es de 0.5? REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 15 Solución Qa (L/hr) C A (mmol/hr) X A r A (mmol/L hr) ln C A ln r A 30 85,7 0,143 4290 4,4509 8,3640 9 66,7 0,333 2997 4,2002 8,0054 3,6 50 0,500 1800 3,9120 7,4955 1,5 33 0,670 1005 3,4965 6,9127 y = 1.539x + 1.5154 R² = 0.9979 0.0000 1.0000 2.0000 3.0000 4.0000 5.0000 6.0000 7.0000 8.0000 9.0000 3.0000 3.2000 3.4000 3.6000 3.8000 4.0000 4.2000 4.4000 4.6000 l n r A ln CA Pendiente= n= 1.5 Considerando la expansión n= 2 b) Ejemplo En un reactor CSTR entra continuamente una corriente A de un hidrocarburo de peso molecular elevado y se somete a craqueo térmico a temperatura elevada ( reacción homogénea en fase gaseosa ) dando una serie de sustancias de peso molecular más bajo, que englobamos en la denominación general R. La estequiometría se aproxima a A------ 5R Modificando el caudal de alimentación se obtienen las distintas intensidades de craqueo dadas a continuación El volumen del reactor es 0.1 litro y a la temperatura del reactor la concentración de la alimentación es C Aº = 100 milimol/litro. Deduzca la ecuación cinética que representa la reacción de craqueo. F Aº , milimol/h C A,salida , milimol/litro 300 16 1000 30 3000 50 5000 60 REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 16 Solución -r A = 95.25 [A] Reactor Tubular o de flujo pistón (PFR) Ecuación de diseño para Reactores flujo Pistón REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 17 Integración por el método de Simpson (tres puntos)  ΔX= intervalo de integración. Se calcula restando al límite superior de la integral el límite inferior y dividiendo el resultado entre 2  Nota: Para evaluar las integrales y el volumen de los reactores vistos anteriormente, es necesario conocer como varía –r A con respecto a la concentración o la conversión REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 18  Ejemplo La reacción no elemental irreversible en fase gaseosa A + 2B ------ C Es llevada a cabo isotérmica mente en un reactor discontinuo a presión constante. La alimentación esta a una temperatura de 227ºC, 1013 Kpa de presión y su concentración es 40 % A y 60% B. Datos de laboratorio tomados sobre condiciones idénticas son -r A , mol/Ls X A 1*10 -2 0 7.25*10 -3 0.10 6.06*10 -3 0.15 5.00*10 -3 0.20 4.06*10 -3 0.25 3.25*10 -3 0.30 2.56*10 -3 0.35 2.00-10 -3 0.40 1.25*10 -3 0.50 1.00*10 -3 0.60 a) Calcule el volumen requerido de un reactor tubular para alcanzar la conversión de 30% de A con una alimentación de 2 m 3 /min Solución REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 19 Tiempo Espacial  Se define como el tiempo necesario para tratar en el reactor un volumen de alimentación (medido en condiciones de presión y temperatura a la entrada del reactor) igual al volumen del reactor. Donde V= volumen y Q= flujo volumétrico Aplicación de ecuaciones de diseño REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 20 Ejemplo: Calculo de tamaño de reactor CSTR  En un reactor de mezcla completa se da la siguiente reacción: A+B C Si la concentración inicial de A es igual a la de B, 1lbmol/pie 3 , la constante de velocidad es 0.311 min -1 y la concentración de C en la salida es de 6.137 lbmol/min, para una conversión del 80%, cuál sería el volumen total del reactor si la reacción se da en un solo paso. R/ 15.34 pie 3 /min solución REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 21 Comparación de los tamaños entre un reactor CSTR y un PFR  Para una misma velocidad de flujo molar un reactor PFR requiere un volumen más pequeño que un reactor CSTR, para alcanzar la misma conversión Reactores CSTR de gran tamaño Supongamos que tenemos un solo reactor CSTR. La conversión a la entrada de este reactor es nula, es decir X AE = 0. La ecuación de diseño correspondiente a un reactor de mezcla perfecta con estas condiciones de entrada es Para un valor de F A0 concreto y si conocemos la ecuación cinética (-r A ) S podemos representar: A medida que la conversión deseada es mayor, el volumen de reactor necesario para llevar a cabo la operación también es mayor. REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 22  Si por ejemplo la ecuación de velocidad tiene la expresión cuando la conversión de reacción deseada esté próxima a la unidad Reactores CSTR en serie se utilizan cuando se quiere llevar la conversión a un 100% Es decir en este caso el área bajo la curva que necesitaríamos, y que correspondería al un volumen del reactor, sería infinita. Esto desde un punto de vista práctico es inviable. Este hecho es causa directa de las propias características del reactor CSTR. Este reactor trabaja en condiciones de salida del reactor, es decir, con concentraciones muy pequeñas de reactivo y por lo tanto con velocidades de reacción también pequeñas. La solución a este problema es trabajar con reactores CSTR en serie. Reactores en serie Si aplicamos la ecuación de diseño a cada uno de estos reactores: primer reactor: Si representamos F A0 frente a (-r A ), vemos que para obtener la misma conversión que trabajando con un solo reactor de mezcla perfecta el volumen total de reactor necesario es inferior. Por lo tanto con reactores de mezcla perfecta en serie reducimos el volumen total necesario de reactor . REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 23 Esquemas de reactores en serie CSTR seguido de PFR en serie CSTR en serie CSTR ,PFR, CSTR en serie PFR en serie Continuación… Al aumentar el número de reactores CSTR en serie disminuimos el volumen total de reactor necesario para obtener un conversión dada. Cuando trabajamos con un infinito número de CSTR en serie para obtener una conversión dada, el volumen total de reactor coincide con el área bajo la curva en la representación gráfica de F A0 /(-r A ) REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 24  Ejemplo La reacción no elemental irreversible en fase gaseosa A + 2B ------ C Es llevada a cabo isotérmicamente en un reactor discontinuo a presión constante. La alimentación esta a una temperatura de 227ºC, 1013 kPa de presión y su concentración es 40 % A y 60% B. Datos de laboratorio tomados sobre condiciones idénticas son -r A , mol/Ls X A 1*10 -2 0 7.25*10 -3 0.10 6.06*10 -3 0.15 5.00*10 -3 0.20 4.06*10 -3 0.25 3.25*10 -3 0.30 2.56*10 -3 0.35 2.00-10 -3 0.40 1.25*10 -3 0.50 1.00*10 -3 0.60 a) Calcule el volumen requerido de un reactor tubular para alcanzar la conversión de 30% de A con una alimentación de 2 m 3 /min. Respuesta: 173.46 L b) Calcule el volumen requerido de un reactor CSTR para llevar el efluente del reactor en a) a lograr una conversión total de 50 % de A. Cual es el volumen total de los dos reactores. c) Calcule el volumen requerido de un único reactor tubular para alcanzar la conversión de 50% de A d) Calcule el volumen requerido de un único reactor CSTR para alcanzar la conversión de 50% de A e) Cual es el volumen de un segundo reactor CSTR para para incrementar la conversión de 50% a 60% REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 25 Asociación de reactores en paralelo: reactores PFR y CSTR Supongamos que tenemos las siguientes disposiciones de reactores Caso 1 a) Dos reactores PFR en paralelo Si X A1 = X A2 , a partir de las ecuaciones de diseño de ambos reactores obtenemos la relación de volúmenes necesaria. b) Dos reactores CSTR en paralelo Caso 2 En estos casos tenemos que ir del reactor 1 al 4 en la figura 2 , para la resolución del problema. REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 26 Ejemplo: utilizando los datos del problema anterior b) Cuantos reactores se necesitarían para una conversión X=0.8  R/ 2 reactores c) Si los reactores estuvieran en serie cual sería la conversión R/ X= 0.684 Ejemplo: Reactores en serie Consideremos una reacción gaseosa de descomposición, en un proceso isotérmico, del tipo: A B Las mediciones de laboratorio están dada en la siguiente tabla, en la cual se muestra la velocidad de reacción como una función de la conversión. La temperatura fue de 149°C, la presión total es de 10 atm y la carga inicial es una mezcla equimolar de A e inerte. La velocidad de alimentación será de 6.0dm 3 /s Para alcanzar el 40% de conversión en el primer reactor y el 80% en el segundo reactor (conversión global). Calcular el volumen total necesario considerando los siguientes casos: a) 2 Reactores CSTR en serie b) 2 Reactores PFR en serie c) Un reactor PFR seguido de un CSTR en serie d) Un reactor CSTR seguido de un PFR en serie REACTORES FISICOQUIMICA II PROFS. LISBETH JIMENEZ Y GUILLERMO JIMENEZ 27  Datos experimentales X -r A (mol/dm 3 s) 0 0,0053 0,1 0,0052 0,2 0,005 0,3 0,0045 0,4 0,004 0,5 0,0033 0,6 0,0025 0,7 0,0018 0,8 0,00125 0,85 0,001