INGENIERIA DE LAS

REACCIONES QUIMICAS I

GRUPO 01Q

Ing. MSc. Pablo Díaz Bravo

Tratamiento físico

Proceso químico

Tratamiento físico

m.prima

producto

recirculación

INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS

Los procesos químicos industriales nacen de proyectos. Para obtener económicamente un determinado producto a partir de materias primas se someten a etapas diferentes de tratamiento, tal como se observa en el esquema siguiente.

Establecer las condiciones de operación (P, T, composición del efluente y velocidad de flujo)

Los equipos de tratamiento físico se tratan en las operaciones unitarias

El diseño del reactor químico consiste en: Seleccionar el tipo de reactor

Determinar la capacidad o tamaño del reactor

Definir las características de intercambio de energía con el exterior

Instrumentación y los métodos de control (manual o automatizada).

El curso se limitara solo al diseño básico del proceso requerido.

Para el diseño del reactor, se requiere conocer la cinética química. La medición de la velocidad de las reacciones químicas, es el arte y la ciencia de la cinética química que no esta relacionada con los procesos físicos, sino solamente con la velocidad de transformación de átomos y moléculas de una forma estructural a otra. Es decir una reacción química. Por ejemplo:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

La isomerización del ciclo propano,

CH2 CH3CH:CH2

CH2 CH2

El diseño más económico, requiere un análisis de costo referente a:

Materiales de construcción Corrosión Requerimientos de agua y energía, Mantenimiento,

CINETICA QUIMICATrata principalmente del estudio de la velocidad de las reacciones químicas, considerando todos los factores que influyen sobre ella (P, T, Concentración) para sistemas homogéneos. En sistemas heterogéneos el problema es aun mas complejo debido a la presencia de los procesos difusionales (transferencia de masa y energía de una fase a otra).Por ejemplo, el benceno se elabora por deshidrogenacion del ciclohexano usando Pt sobre alumina como catalizador.

Pt (Al2O3)Ciclohexano Benceno Hidrogeno

+ 3 H2

Por otro lado, si la reacción es rápida, tal que el sistema esta prácticamente en equilibrio, el diseño del reactor es muy sencillo y no requiere de la información cinética, resulta suficiente la información termodinámica.En cambio para reacciones lentas se requiere la información cinética del laboratorio. A partir de los datos de laboratorio y de planta piloto se obtienen la ecuación de la velocidad de reacción que luego es usada en el diseño del reactor a escala comercial. La interpretación de los datos de velocidad de reacción, así como las condiciones de operación es muy importante para el diseño de la planta comercial.

En principio, si se conoce la velocidad de reacción para un sistema, es posible diseñar cualquier tipo de reactor introduciendo los procesos físicos apropiados asociados con dicho tipo de equipo.

Por ejemplo, supongamos que los datos de laboratorio para la producción o cracking de hidrocarburos se obtiene en un tubo continuo a través del cual fluye la mezcla reaccionante. Si se propone utilizar un reactor de flujo tubular para la planta comercial, puede ser posible proyectar la operación de la planta piloto de forma tal que ambos sistemas tengan los mismos gradientes de temperatura y concentración dentro del tubo. Entonces, el funcionamiento del reactor a gran escala puede predecirse directamente de los resultados del laboratorio.

Sin embargo, si los datos de laboratorio se obtienen en un reactor batch, resulta difícil proyectarlo directamente a un reactor tubular comercial

En el diseño de un reactor químico, se plantean 2 interrogantes:

¿Hasta donde puede transcurrir la reacción y cual será su estado de equilibrio?

¿Con que rapidez se puede alcanzar un estado próximo al equilibrio?

La primera pregunta concierne a la termodinámica. La termodinámica es capaz de predecir una conversión favorable en condiciones conocidas de P y T, pero no puede asegurar que la reacción transcurra a una velocidad medible.

En cambio la segunda corresponde a la cinética química. Los datos cinéticos se expresan en forma de ecuaciones matemáticas sencillas y las ecuaciones de diseño se dan mediante ecuaciones diferenciales que pueden ser resueltas analíticamente o numéricamente.

Termodinámica de las Reacciones Químicas

La termodinámica suministra 2 fuentes importantes de información necesarios para el diseño:

El calor desprendido o absorbido durante la reacción

La conversión máxima posible.

Esta conversión máxima se da en el equilibrio, donde la velocidad neta de la reacción es cero.

Sea el índice estequiometrico del componente i(-) reactantes(+) productos(0) inertes

i

ifireaccion HH)(

i

)(H Endotérmica

)(H Exotérmica

(1)

Calor de Reacción

Es la energía desprendida o absorbida durante la reacción en condiciones de P y T.

Sea la reacción:

aA + bB = cC + dD

Efecto de la Temperatura sobre Calor de Reacción

El calor de una reacción química a una temperatura T se obtiene mediante la ecuación:

dTpCHHT

To

ToT )(

pC i

ii pC

22 TDTCTBAR

pCiiii

i

22

DTCTBTAR

pC

dTDTCTBTARHHT

To

ToT 22)(

=

=

Donde

(3)

Reemplazando (4 ) en (3)

Finalmente la ecuación (2) resulta

(5)

(2)

(4)

Para Casa: 27/08/12

1.- hallar el calor de reacción para la hidratación del etileno a etanol a 145 ºC.

C2H4(g) + H2O(g) C2H5OH(g)

2.- Para la siguiente reacción de formación de metanol

CO(g) + 2 H2(g) CH3OH(g)

Se sabe que:

77 ºC (350 K) K = 95,123

227 ºC (500 K) K = 5,7x10-3

A partir de esta información desarrolle la expresión general para la constante de equilibrio en función de la temperatura

3.- La producción de 1,3 butadieno se puede realizar mediante la deshidrogenacion del n-butano

C4H10(g) CH2:CHCH:CH2(g) + 2H2(g)

a) La fracción molar de los otros componentes en los productos gaseosos

b) La fracción molar de vapor de agua requerida en la alimentación

Las reacciones laterales se suprimen introduciendo vapor de agua. Si el equilibrio se alcanza a 925 K y 1 bar, y los productos del reactor contienen 12% molar de 1,3 butadieno, determine.

4.- El butadieno puede producirse por la deshidrogenacion de buteno sobre un catalizador moderado, para amortiguar los efectos térmicos de la reacción se inyecta internamente grandes cantidades de vapor con alimentación de buteno. Proporciones de H2O/buteno de 10 a 20 son típicos en muchos reactores industriales. Determine la composición del efluente correspondiente a las siguientes condiciones:

T efluente = 820 K, P = 101,33 kPa

Composición de alimentación: H2O = 90% Buteno = 10%

Datos termodinámicos a 800 K

Componentes Hf (kJ/mol) Gf

H2O -246,53 -203,66Buteno -21,56 207,04

Butadieno 97,34 228,10