IRQ - REACTORES ISOTERMICOS

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA

AREA DE TECNOLOGA PROGRAMA DE INGENIERA QUMICA

DEPARTAMENTO DE ENERGTICA U.C.: INGENIERA DE LAS REACCIONES QUMICAS

PROF. ING. IVN JOS ACOSTA MORALES. CIV.: 183579

UNIDAD 2.

ANLISIS DE REACTORES IDEALES

ISOTRMICOS.

ANLISIS DE REACTORES IDEALES ISOTRMICOS.

2.2 Reactores ideales isotrmicos. La Ecuacin General Del Balance De Moles

Reactor Discontinuo o Por Carga Reactor continuo:

Mezcla completa (CSTR) Flujo pistn (PFR) Lecho Cataltico Empacado (PBR) Lecho Cataltico Fluidizado

2.1 Definicin e importancia de un reactor qumico.

2.3 Definicin de Conversin Molar

2.5 Tabla Estequiomtrica

2.4 Ecuaciones de Diseo de Reactores qumicos en funcin de la Conversin.


2.1 Definicin e importancia de un reactor qumico.

Un REACTOR QUMICO Es una unidad procesadora diseada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones qumicas. Dicha unidad procesadora esta constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con lneas de entrada y salida para sustancias qumicas, y esta gobernado por un algoritmo de control (Levenspiel 2004).

ASEGURAR el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

PERMITIR condiciones de presin, temperatura y composicin de modo que la reaccin tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinmicos y cinticos de la reaccin.

Estos equipos tienen como funciones principales:

PROPORCIONAR el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensin deseada de la reaccin.


LA ECUACION GENERAL DEL BALANCE DE MOLES

-.) Un balance general de moles es determinar cuales son los flujos molares que entran y sale de un sistema as como tambin cuantos moles se forman y si en el sistema como tal existe acumulacin segn Fogler (2003).

-.) Es necesario especificar sus fronteras y se le llamara volumen del sistema al volumen encerrado por dichas fronteras y dicho balance se realizar a la especie j en un volumen del sistema donde sta sustancia represente la especie qumica de inters.

2.2 Reactores ideales isotrmicos.



Si todas las variables del sistema fueran espacialmente uniformes dentro del volumen del sistema

Ahora se supone que la velocidad de formacin de la especie j para la reaccin vara con la posicin del volumen del sistema, es decir, tiene un valor rj1 en el lugar 1, que esta rodeado por un volumen pequeo V1, dentro del cual la velocidad es uniforme.



Si el volumen total del sistema se divide M subvolumenes, la velocidad total de generacin es:

Tomando los lmites correspondientes

Y usando la definicin de integral se tiene

Ahora al sustituir Gj en la ecuacin del balance de materia se tiene


REACTOR DISCONTINUO (POR CARGA, POR LOTES, INTERMITENTE, TIPO BATCH)

Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reaccin, sino ms bien, al inicio del proceso se introduce los materiales, se lleva a las condiciones de presin y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de la reaccin y los reactantes no convertidos. La composicin de las especies es uniforme en todo el tanque. Durante la reaccin qumica no entra ni sale fluido del sistema por lo que: Fjo = Fj = 0.

Aplicando la Ecuacin del Balance General de Moles:

Si la mezcla es perfectamente homognea de modo que no hay variacin en la rapidez de reaccin en todo el volumen del reactor se puede sacar rj de la integral y escribir el balance general de moles de la forma:


REACTOR CONTINUO: TANQUE CON AGITACIN CONTINUA O MEZCLA COMPLETA

Es un tipo de reactor que opera continuamente y en el que su contenido esta perfectamente agitado y su composicin en cada instante es la misma en todos los puntos del reactor. Tambin se le denomina CSTR (CONTINUOS STIRRED TANK REACTOR) y normalmente opera en estado estacionario, por consiguiente, la corriente de salida de este reactor tiene la misma composicin que la del fluido contenido en el mismo. A este tipo de flujo le denominamos FLUJO EN MEZCLA COMPLETA, y al reactor correspondiente REACTOR DE FLUJO EN MEZCLA COMPLETA. La temperatura en todo el espacio del reactor es la misma Y La composicin se supone homognea.


Sabiendo que opera en Estado Estacionario 0

dt

dNj

Si no hay variaciones espaciales en la rapidez de reaccin

V

jVrrjdV


Substituyendo en la ecuacin General del Balance de Moles

0 jO VrFjFj

Despejando el Volumen del Reactor o Volumen de Diseo se tiene:

j

jj

r

FFV

0

REACTOR CONTINUO: MEZCLA COMPLETA


REACTOR CONTINUO: REACTOR TUBULAR

Es un tipo de reactor que opera normalmente en estado estacionario al igual que el CSTR. Se considera que el flujo es altamente turbulento y el campo de flujo se puede modelar como el de flujo taponado (No hay variacin radial pero si variacin axial en la concentracin) de all deriva que este equipo se conoce como reactor PFR (Plug Flow Reactor).


Para obtener la ecuacin de diseo del PFR se dividir conceptualmente el reactor en varios subvolumenes de manera que dentro de cada subvolumen, V la velocidad de reaccin se pueda considerar espacialmente uniforme de la cual se obtiene que:

V

jVrrjdV



Sabiendo que opera en Estado Estacionario y tomando en cuenta los flujos molares en un subvolumen se tiene que el balance de moles queda:

0

dt

dNj

Para cada subvolumen se representar con Fj(Y) la velocidad de flujo molar de la especie j hacia dicho subvolumen V en y, y con Fj(y+ y), el flujo molar de la especie j desde el volumen que esta en (y+ y).

0)()( VrjyyFyFj

El volumen V es el producto de rea de seccin transversal del reactor A, y la longitud del reactor y.

yAV

Ahora se sustituye V en la ecuacin anterior y se divide entre y para obtener: j

jjAr

y

yFyyF

)()(



Puesto que la ecuacin anterior es similar a la expresin matemtica que define la derivada:

Y tomando el lmite en el que aparece y. se acerca a cero, se obtiene:

Por lo comn, es ms conveniente tener el volumen del reactor V como variable independiente, en lugar de la longitud del reactor y. Por lo tanto, se cambiara la variable usando la relacin dV = Ady para obtener una expresin en funcin del volumen y aplicado a una especie A:

dx

df

x

xFxxf

)()(

j

jAr

dy

dF

AA r

dV

dF


REACTOR CONTINUO: LECHO CATALITICO EMPACADO

AA r

dV

dF A

A rdW

dF

Los reactores de lecho fijo consisten en uno o ms tubos empacados con partculas de catalizador, que operan en posicin vertical.

Las partculas catalticas pueden variar de tamao y forma: granulares, cilndricas, esfricas, etc.

En algunos casos, especialmente con catalizadores metlicos como el platino, no se emplean partculas de metal, sino que ste se presenta en forma de mallas de alambre. (Levenspiel, 2004). Para obtener tal ecuacin segn Fogler (2003), se deduce similar a la de un PFR slo que el volumen del reactor se cambia por la masa del catalizador W.


REACTOR CONTINUO: LECHO CATALITICO FLUIDIZADO

Se utiliza para reacciones donde intervengan un slido y un fluido (generalmente un gas).

En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a travs de las partculas slidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rpido de partculas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formacin de zonas calientes.

La ecuacin de diseo para este tipo de reactores se obtiene sustituyendo en la ecuacin de un CSTR el volumen del reactor por la masa del catalizador (W).

j

jj

r

FFW

0

j

jj

r

FFV

0


CONVERSIN MOLAR

X: es la conversin o la relacin de los moles consumidos (NAc) respecto a los moles iniciales (NAo) que puede alcanzar la reaccin y puede obtenerse mediante la ecuacin:

El nmero de moles de A que quedan en el reactor despus de un tiempo t , NA, se pueden expresar en trminos de Nao y X:


ECUACIONES DE DISEO EN FUNCIN DE LA CONVERSIN MOLAR

Las ecuaciones de diseo deducidas para los reactores anteriormente presentados pueden escribirse en funcin de la Conversin. A continuacin se muestran las ecuaciones de diseo:

Vrdt

dxN AA

0

Reactor Discontinuo

Tanque de agitacin Continua CSTR

AA r

x

F

V

0

Flujo Pistn PFR

AA rdV

dxF 0


Lecho Cataltico Empacado

Lecho Cataltico Fluidizado

AA r

x

F

W

0

ECUACIONES DE DISEO EN FUNCIN DE LA CONVERSIN MOLAR

AA rdW

dxF 0


2.5 TABLA ESTEQUIOMTRICA

SISTEMA POR LOTES

NA0 NB0 NC0 ND0 NI0 t = 0

NA NB NC ND NI t = t



SISTEMA POR LOTES



SISTEMA CONTINUO

FA0 FB0 FC0 FD0 FI0

FA FB FC FD FI



SISTEMA CONTINUO

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