Reactor pfr

reactores

1. TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE SAN FELIPE DEL
PROGRESO


Ingeniería Química 701


Reactores Químicos

Catedrático: I.Q Moisés Crescencio González

Estudio:
Reactor PFR


Elabora:
José Eduardo Vara González
Lenin Ruiz Gallegos




San Felipe del Progreso, diciembre de 2016

2. Diseño de reactor PFR
Las reacciones en fase gaseosa se realizan principalmente en PFR, en
los cuales el flujo suele ser turbulento. Asumiendo que no haya
dispersión ni gradientes radiales de temperatura, velocidad o
concentración, podemos generar un modelo del flujo en este tipo de
reactor considerándolo como flujo tapón.

Fig. 1 Reactor PFR
Los reactores con flujo laminar usan la forma diferencial del balance de
moles. La forma diferencial de la ecuación de diseño para el PFR
??????
??????0
�??????
�??????
=− �
?????? (1)
Debe emplearse cuando hay caída de presión en el reactor o
intercambio de calor entre el PFR y los alrededores. En ausencia de
caída de presión o intercambio de calor, se usa la forma integral de la
ecuación de diseño del flujo tapón,
??????=??????
??????0∫
�??????
− �
??????
??????
0
(2)
Por ejemplo, considere la reacción
�→??????�??????����??????�
para la cual la ley de velocidad es
− �
??????=??????�
??????
2
(3)
Primero, consideramos que la reacción se efectúa en fase líquida y
después en fase gaseosa.
Fase liquida ??????=??????
??????

3. El balance molar combinado para el PFR y ley de velocidad es
�??????
− �
??????
=
??????�
??????
2
??????
??????0
(4)
Si la reacción se efectúa en fase líquida, la concentración de A es debido
a la estequiometria:
�
??????=�
??????0
(1−??????) (5)
en tanto que para operación isotérmica podemos sacar k de la integral
??????=
??????
??????0
??????�
??????0
2
∫
�??????
(1−??????)
??????
0
=
�
0
??????�
??????0
??????
(1−??????)
(6)
Esta ecuación proporciona el volumen del reactor para lograr la
conversón X. Dividiendo entre �
0(??????=
??????
??????
0
) y despejando la conversión,
encontramos:
??????=
????????????�
??????0
1+????????????�
??????0
=
�??????
2
1+�??????
2
(7)
Donde �??????
2 es el número de Damkohler para una reacción de segundo
orden.
En una reacción de primer orden, el producto ???????????? a menudo se conoce
como número de Damkohler de la reacción, Da, el cual es un número
adimensional que llega a damos una estimación rápida del grado de
conversión que puede lograrse en reactores de flujo continuo. El número
de Damkbhler es el cociente de la velocidad de reacción de A entre la
velocidad de transporte convectivo de A en la entrada del reactor.
Fase gaseosa
Para reacciones en fase gaseosa a temperatura constante (T = To) y
presión constante (P = Po)' la concentración se expresa en función de
la conversión:
�
??????=
??????
??????
??????
=
??????
??????
??????
0
(1+????????????)
=
??????
??????0
(1−??????)
??????
0
(1+????????????)
=�
??????0
(1−??????)
(1+????????????)
(8)

4. Entonces, combinando el balance molar para el PFR, la ley de velocidad
y la estequiometría.
??????=??????
??????0∫
(1+�??????)
2
??????�
??????0
2
(1−??????)
2
??????
0
�?????? (9)
La concentración de entrada �
??????0 puede sacarse de la integral, porque
no está en función de la conversión. Como la reacción se realiza
isotérmicamente, la constante de velocidad específica de la reacción, k,
también es posible sacarla de la integral.
??????=
??????
??????0
??????�
??????0
2
∫
(1+�??????)
2
(1−??????)
2
??????
0
�?????? (10)
Por las ecuaciones integrales del apéndice A.1 (fogler.4Ed),
encontramos que
??????=
�
0
??????�
??????0
[2�(1+�)ln(1−??????)+�
2
??????+
(1+�)
2
??????
1−??????
] (11)
Usando la ecuación (11), en la figura. 2 se muestra una gráfica de la
conversión a lo largo (es decir, en el volumen) del reactor, en cuatro
reacciones diferentes, y valores de ε para el mismo valor de
??????
0
????????????
??????0

ilustrando el efecto del cambio de volumen con la reacción.

Ahora examinaremos el efecto del cambio en el número de moles en
fase gaseosa sobre la relación entre la conversión y el volumen. Para la
temperatura y presión constantes, la ecuación

5. �=�
0
(1−�??????) (12)
A continuación consideraremos tres tipos de reacciones, una en la cual
&#3627409152;=0(&#3627409151;=0), otra en la que &#3627409152;<0(&#3627409151;<0) Y otra donde &#3627409152;>0(&#3627409151;>0)€.
Cuando no hay cambio en el número de moles con la reacción (es decir,
2&#3627408436;→&#3627408437;,&#3627409152;=0(&#3627409151;=0), entonces el líquido se desplaza por el reactor con
flujo volumétrico constante (&#3627408483;=&#3627408483;
0) a medida que la conversión
aumenta. Cuando hay reducción en el número de moles &#3627409152;<0,&#3627409151;<0 en
fase gaseosa (es decir, 2&#3627408436;→&#3627408437;), el flujo volumétrico del gas disminuye
a medida que la conversión aumenta; por ejemplo,
&#3627408483;=&#3627408483;
0
(1−0.5??????)
En consecuencia, las moléculas del gas pasarán más tiempo en el
reactor del que pasarían si el flujo fuera constante, &#3627408483;=&#3627408483;
0.Como
resultado, ese tiempo de residencia más prolongado produciría una
mayor conversión que si el flujo fuera constante en &#3627408483;
0.
Por otra parte, si hay aumento en el número total de moles (&#3627409152;>0,&#3627409151;>
0) en fase gaseosa (o sea, &#3627408436;→2&#3627408437;), entonces el flujo volumétrico
aumentará conforme la conversión aumenta; por ejemplo,
&#3627408483;=&#3627408483;
0
(1+??????)
y las moléculas pasarán menos tiempo en el reactor del que pasarían si
el flujo volumétrico fuera constante. Como resultado de este tiempo de
residencia menor en el reactor, la conversión será más baja que la que
se obtendría si el flujo volumétrico fuese constante en &#3627408483;
0.

Importancia de los
cambios de flujo
volumétrico (o sea,
ε≠0) con la reacción

6. En la figura se muestran los perfiles de flujos volumétricos para los tres
casos analizados. Observemos que al final del reactor se logra una
conversión prácticamente global.

Producción de 300 millones de libras al año de etileno en un PFR:
diseño de un PFR a escala industrial
El etileno ocupa el cuarto lugar en Estados Unidos en lo que respecta
al total de producto químico sintetizado al año y es el producto químico
orgánico que ocupa el primer lugar de producción anual. Se produjeron
más de 50 mil millones de libras en el 2000, que se vendieron a
0.27centavos de dólar por libra. El 67% del etileno producido se emplea
en la fabricación de plásticos, el 20% para óxido de etileno, el 16% para
bicloruro de etileno y etilenglicol, el 5% para fibras y el 5% para
disolventes. Determine el volumen del PFR necesario para producir 300
millones de libras de etileno al año por desintegración catalítica de una
corriente de alimentación de etano puro. La reacción es irreversible y
sigue una ley de velocidad elemental. Se desea lograr una conversión
del 80% de etano haciendo que el reactor funcione isotérmicamente a
1100 K Y una presión de 6 atm.

Bibliografia
B. Wilson, Chem. Engrs. (London), 24, 77 (1946)
L. C. Young y B. A. Finlayson, Ind. Eng. 12, 412 (1973); Hlavacek, V.
y Chem. 28, 1897 (1973).