2V-Reactores Químicos-T.A.C- Isotérmico.pdf

Reactores TAC

1. Tema V
Reactores Químicos
Tanque Agitado
Continuo
Operaciones y Procesos
Ing. Silvia Zamora
Dra. Julieta Martínez
Ing. Macarena Vega
Dr. Juan Pablo Gutiérrez

2. Formas de operar un RTAC
O y P
2
R TAC
Isotérmico
Sin
Intercambio
de Calor
Con
intercambio
de Calor
Adiabático

3. Diseño del reactor tanque
continuo (RTAC)
•Para realizar el diseño del reactor se
requiere la solución simultanea de las
ecuaciones de diseño y energía:
•Balance de materia
??????=
??????
??????�??????
−�
??????
•Balance de energía
O y P
3

4. R.T.A.C
•Diseño del reactor tanque continuo
(RTAC)
•Este reactor, debido a su condición de
estacionario y de mezclado perfecto, es
isotérmico en el tiempo y en el espacio.
•Para ser más correctos la operación
isotérmica tiene lugar cuando la
temperatura de alimentación es idéntica a
la temperatura dentro del TAC.
O y P
4

5. Reactor TAC Isotérmico
•Si conocemos la temperatura de reacción,
necesitaremos el balance de materia para
diseñar el reactor, tenemos:
??????=
??????
�0−??????
�
−�
�
•De la que podemos obtener el volumen del
reactor.
•O podemos escribir en función de la conversión:
Reemplazando, queda
O y P
5
??????
�=
??????
��−??????
�
??????
�� ??????=
??????
��??????
�
−�
�

6. Reactor TAC Isotérmico
•Podemos escribir en términos de concentración:
•Quedando:
??????=
�
���
�??????
�
−�
�
•Escribiendo rjen términos de la conversión,
tendremos todo en función de X.
•Calcularemos el volumen necesario para alcanzar
una conversión dada, o a la inversa.
O y P
6
??????
��=�
���
�

7. RTAC
•Si graficamos:
-rjvs X
O y P
7
??????=
??????
��??????
�
−�
�

8. GráficaLevenspiel
8
RTAC
RFP
Para reacciones isotérmicas de orden mayor que cero, iguales
condiciones de conversión y reacción, temperatura, flujo,etc. el
volumen de un RTAC será mayor que el volumen de un RFP.

9. Datos de velocidad de reacción en función
de la conversión.
Reacción Isotérmica
O y P
9
X
−�
??????(
�??????�
�
??????
�
)
??????
????????????
−�
??????
(�
??????
)
0,0 0,45 0,89
0,1 0,37 1,08
0,2 0,30 1,33
0,4 0,195 2,05
0,6 0,113 3,54
0,7 0,079 5,06
0,8 0,05 8,0

10. •¿Por qué el volumen de un RTAC isotérmico es mayor
que el de un RFP isotérmico?
•El RTAC funciona a la velocidad de reacción más baja
X=0,8 −�
??????=0,05
•V=6400L
O y P
10

11. •Mientras que el RFP inicia a alta velocidad en la
entrada.
•Disminuye gradualmente hasta alcanzar la
velocidad de salida.
•Por esto requiere menor volumen, ya que el
volumen es inversamente proporcional a la
velocidad.
O y P
11
X
−�
??????(
�??????�
�
??????
�
)
V(??????)
0,0 0,45 0
0,2 0,30 218
0,4 0,195 551
0,6 0,113 1093
0,8 0,05 2165

12. Cuidad0!
•Para reacciones autocatalíticas, reacciones
inhibidas por producto y reacciones
exotérmicas no isotérmicas, dichas
tendencias no siempre se observan.
O y P
12

13. Reactores en Serie
•Hay que tener en cuenta que esta definición, sólo
puede emplearse cuando la corriente de
alimentación entra únicamente al primer reactor
en serie.
•No hay corrientes laterales de alimentación o
descarga.
•Con lo que queda:
•La velocidad de flujo molar de A en el punto i, es
igual a los moles de A alimentados al primer
reactor menos todos los moles de A que
reaccionaron hasta el punto i.
??????
??????�=??????
??????�−??????
??????�??????
�
O y P
13

14. Reactores en Serie
•Para el tratamiento de este tipo de conexión,
es útil definir la conversión en términos de la
ubicación en el punto corriente abajo, en vez
de con respecto a cualquier reactor único.
•Es decir: la conversión X es el número de
moles totales de A que reaccionan hasta ese
punto por moles de A alimentados al primer
reactor :
O y P
14
??????�=
��������??????�����??????���ℎ??????���??????�����??????��ℎ??????��??????��������
�������????????????������??????���??????���������??????����

15. Reactores en serie
•Definimos:
??????
??????�=??????
??????�−??????
??????�??????
�
O y P
15reactorprimer al salimentadoA de moles
puntoi elen on reaccionar queA de moles

i
X

16. RTAC en serie
O y P
16
??????
??????�−??????
??????1+�
??????1??????
1=0
Reactor 1:
Reactor 2:
Balance de materia
Velocidad de flujo molar en 1:
??????
??????1=??????
??????�−??????
??????�??????
1
??????
1=??????
??????�(
1
−�
??????1
)??????
1
??????
??????1−??????
??????2+�
??????2??????
2=0
??????
??????2=??????
??????�−??????
??????�??????
2
??????
2=
??????
??????1−??????
??????2
−�
??????2
=
??????
??????�−??????
??????�??????
1−(??????
??????�−??????
??????0??????
2)
−�
??????2
??????
2=(
??????
??????�
−�
??????2
)(??????
2−??????
1)

17. RTAC en serie
O y P
17

18. O y P
18
Varios RTACen serie
podemos elaborar un
modelo de RFP
empleando
un gran número de
RTAC en serie →∞

19. Ejercicio
•La reacción exotérmica: A -------> B + C se efectuó
adiabáticamente y se obtuvieron los datos de Conversión
y velocidad de reacción que se muestran (abajo),
O y P
19X
0
0.2
0.4
0.45
0.5
0.6
0.8
0.9






















: r
A
1.0
1.67
5.0
5.0
5.0
5.0
1.25
0.91






















mol
dm
3
min
:
La velocidad de flujo molar alimentada de A era de 300 mol/min.
a)¿ Cuáles son los volúmenes de RFP y TAC para alcanzar una conversión
del 40% ?
b) ¿ En qué intervalo de conversiones serían idénticos los volúmenes de TAC
y de RFP?
c) ¿Qué arreglo de reactores en serie propone para alcanzar una conversión
global del 90%?
d) Calcule los volúmenes de los reactores.

20. •Trabajaremos en términos del tiempo de
residencia:
•τ=
??????
????????????
•Con lo que obtenemos:
τ=
??????
�
�
=
�
��??????
�
�
�
O y P
20
Retomando conceptos

21. •En el caso que la densidad, varía apreciablemente,
lo cual además significa que el V no es cte.
representa un tiempo de residencia hipotético.
•Veremos que pasa cuando el volumen del sistema
varía:
1)A un reactor de mezcla completa se introduce 1 lt/s
de un reactivo gaseoso A.
•La estequiometríaes A-----> 3 R
•La conversión es: X=0,5
•V = 1 lt
•Fvo= 1 lt/s
O y P
21

22. •Si consideramos que no hay variación en el
volumen:
τ=
??????
�
�
=1�
•Ahora si consideramos la variación en el
número de moles:
τ=
??????
�
�(1+ε??????)
•Tenemos que ε= 3-1 =2
•Con esto τ= 0,5 s
•Se ve como varía por el cambio de volumen
O y P
22

23. Damköhler(Da):
•Definiremos el número de Damköhler(Da): es
un número adimensional que nos dáuna
estimación rápida del grado de conversión que
puede lograrse en reactores de flujo continuo.
•Da: es la relación entre la velocidad de
reacción del compuesto jy la velocidad de flujo
convectivode j en la entrada del reactor.
�??????=
−�
��??????
??????
��
=
??????������??????�����??????�����??????����??????�??????��"�"
??????������??????��������������??????�??????��"�
O y P
23

24. •Como puede observarse el número Da
depende del orden de la reacción:
�??????=
−�
��??????
??????
��
•Así, para una reacción irreversible de 1º
orden en A:
A + B C+D
�??????=
−�
??????�??????
??????
??????�
=
��
??????�??????
�
��
??????�
=τ�
O y P
24

25. •Es importante conocer qué valores de Da
proporcionan valores de conversión alta o
baja en reactores de flujo.
•Cuando Da < 0,1 , entonces X < 0,1
•Cuando Da > 10 , entonces X > 0,9
O y P
25

26. Reactores en Serie
•Los reactores están conectados en serie, la
salida de un reactor, es la alimentación del
siguiente.
O y P
26

27. Reactores en Serie
•Analizaremos un caso:
•Para ver el tratamiento de este sistema, supondremos
•Reacción de 1°orden
•V= cte??????=??????
??????realizada en dos reactores en serieC
A1
X
1
F
A1
C
A0
F
A0
C
A2
X
2
F
A2
-r
A1
V
1
-r
A2
V
2
O y P
27

28. Reactores en Serie
•Planteando los balances:
??????=&#3627408483;
0(
??????
??????0−??????
??????
−????????????
)o bien ??????=
??????
??????
=
??????
??????0−??????
??????
−????????????
•Si tenemos una reacción de 1°orden:
O y P
28
−&#3627408479;
??????=&#3627408472;&#3627408438;
??????

29. Reactores en Serie
•Combinando la ley de velocidad y el
balance en moles
??????=
??????
&#3627408483;
=
&#3627408438;
??????0−&#3627408438;
??????
−&#3627408479;
??????
=
&#3627408438;
??????0−&#3627408438;
??????
&#3627408472;&#3627408438;
??????
•Despejando :
&#3627408438;
??????=
??????
????????????
1+??????&#3627408472;
además &#3627408438;
??????=&#3627408438;
??????&#3627408476;1−??????
Con lo que:
1−??????=
1
1+??????&#3627408472;
O y P
29

30. •Se tiene:
1−??????=
1
1+??????&#3627408472;
1−??????(1+??????&#3627408472;)=1
??????&#3627408472;+??????−1−??????&#3627408472;=1
??????=
??????&#3627408472;
1+??????&#3627408472;
O y P
30

31. •Recordando que: ??????&#3627408472;
•Para una para una reacción de primer
ordense conoce como número de
Damköhler(Da):
&#3627408439;??????=
−&#3627408479;
??????&#3627408476;??????
??????
??????&#3627408476;
=
&#3627408472;&#3627408438;
??????&#3627408476;??????
&#3627408483;
&#3627408476;&#3627408438;
??????&#3627408476;
=τ&#3627408472;
O y P
31

32. Reactores en Serie
•Planteando esto para los reactores en
serie:F
A1F
A0F
A0X
1-= F
A2F
A0F
A0X
2-=
El efluente del primer efecto será:
C
A1
C
A0
1
1k
1+
= V
1F
A0
X
1
r
A1-
=
O y P
32

33. •Para el segundo reactor:F
A1F
A2- r
A2-V
2=
V
2
F
A1F
A2-
r
A2-
=
F
A0X
2X
1-( )
r
A2-
=
C
A2
C
A1
1
2k
2+
=
C
A0
1
1k
1+( )1
2k
2+( )
=
Si en lugar de dos reactores se dispone de n reactores de igual volumen operando en
serie.
1 2=
3= .............=
n=
Operando a la misma temperatura T
k
1k
2= k
3= ..............k
n=
O y P
33

34. La concentración a la salida del último reactor será:
C
An
C
A0
1 k+( )
n
=
C
A0
1Da+( )
n
=
C
AnC
A01X-( )= C
A01X-( )
C
A0
1Da+( )
n
=
1X-( )
1
1Da+( )
n
= O y P
34

35. •La conversión para n reactores:
??????=1−
1
(1+??????&#3627408472;)
&#3627408475;X
1
0.8
k=1
k=0.5
k=0.1
n° de tanques5
O y P
35

36. RTAC en Paralelo
•La alimentación se distribuye
proporcionalmente a cada uno de los reactores
de igual V, esto significa que cada uno de ellos
tendrá igual velocidad de reacción si To es
la mismay por lo tanto igual X.V
1
V
2
C
A0
F
A0
T
0
C
A1
X
1
F
A1
C
A1
X
1
F
A1
V
1
=V
2
O y P
36

37. RTAC en ParaleloUn balance en cualquier reactor da:V
iF
A0i
X
i
r
Ai-
=
V
i
V
n
= F
A0i
F
A0
n
=
V
n
F
A0
n
X
i
r
Ai-
=
VF
A0
X
i
r
Ai-
=
La X que se obtiene en cualquiera de los reactores en
paralelo es la misma que se logra alimentando un solo flujo
a un rector grande
O y P
37

38. Bibliografía
•Elementos de ingeniería de las reacciones químicas –H.S Fogler-4º
Edición-Pearson-Prentice Hall.
•Procesos Unitarios-S. Hiller-Facultad de Ingeniería Química-
Universidad Nacional del Litoral.
•Ingenieríade las reacciones químicas –O. Levenspiel-Ed. REPICA,
S.A.
•Apuntes de Cátedra-Operaciones y Procesos-Ing. A.Bonomo
O y P
38