REACTORES IDEALES

Tanque agitado

- RCTA

Se representa como:

• Perfectamente homogéneo.

• Entrada continua de materiales.

Diseño RCTA:

• Balance de materia: Nos permite determinar el volumen del reactor.

• e.e. A=0

• rj Saldrá de la integral pq se mantiene cte. En cualquier punto.

Balance de materia de un RCTA en estado estacionario:

RCTA en estado líquido:

Ql = Cte.

V y  Cte.

Finalmente nos queda:

Arrancado de un RCTA ESTADO NO ESTACIONARIO

• A " 0

• rj Cte. Ql · (Cj - Cj0 + = rj · V

• V y  Cte.

Dividimos por el volumen:

Para órdenes 1

Tiempo en llegar a un estado estacionario (99% de Cj)

Aproximaciones:

- Para cinéticas lentas t " 4'6 · 

- Para cinéticas rápidas t " 4'6 / 

- Para cinéticas normales t " 4'6 / (1+  · K)

Series de RCTA's

Han de tener = V y Ql

Reactor n:

• Balance de energía: Hablaremos de un RCTA isotermo.

En la mayoría de reactores vale 0. Se lo lleva el reactor.

Vale 0 si el calor de reacción es cte. con Tº.

q = Calor a eliminar x parte del sistema de intercambio.

nj = caudales molares (moles/l)

Cpj = calor especifico a P cte. (energía/ (mol/Tº)

T2 = temperatura salida = Tº reactor.

T1 = temperatura de entrada.

nk1 = caudal molar del componente clave (moles/tiempo)

Xk = grado de conversión

Hoo= Calor reacción 298K (energía/mol)

Otras ecuaciones:

• Cambio de temperatura

• Cambio de fase

q = mf · f (energía / t)

Ecuación de transmisión de calor:

q = U· A· T

U = W / m2·T ; W=J /s

- RDTA

• Trabaja en “batch”

• Tiempo reacción (tr)

• No consideramos ni E ni S

• Trabaja en fase líquida

Diseño RDTA:

• Balance de materia:

En estado no estacionario

A" 0 normalmente

Cuando r= 0

Si A=0 e.e. se da cuando la reacción se ha acabado o está en equilibrio.

RDTA con V cte.

Nº de cargas

N= Horas totales de trabajo / tt

tt = t. De reacción + t carga + t vaciado +...

Volumen del reactor

Valim= Vproducción / Xk

Flujo pistón

- RCFP

Propiedades de cada corte =, pero diferentes en comparación con otros cortes.

• Balance de materia:

Ql = cte.

rj = no es cte.

e.e. = no hay A.

 y Ql = cte.

Ql " cte.

En sistemas gaseosos.

Entrada: P·V = n·R·T

Salida:

Entrada:

Salida:

El volumen de gas sólo varía si hay una variación en el número estequiométrico:

Perdida de presión o de carga:

- Régimen laminar:

-Régimen turbulento:

ADIEBÁTICOS

- RCTA ADIEBÁTICO

• Balance de materia:

• Balande de energía q=0

Si Calor reacción es cte.

- RCFP ADIEBÁTICO

• Balance de materia:

Hay que saber previamente el B.E.

• Balance de energía:

Donde:

Resolución:

- RDTA ADIEBÁTICO

• Balance de materia:

• Balance de energía:

H0 = cte con la Tº

REACTORES INTERMEDIOS

RCTA'S

QG = QE

Hacemos primero QE

QE= -(T1 + C · Tf0) + ( C+ 1) ·T

Nos quedará en función de T

Tf0 será la Tº del intercambiador de calor.

Hacemos QG

QG = J · Xk (T)

Con esto hayamos X en función de T “Xk (T)”

Cuando tenemos los 2 en función de T hacemos sistema ecuaciones.

1.- Definir: (TEORICO)

Componente clave: es el reactivo limitante, es decir la especie química de la reacción que se encuentra en menor proporción estequiométrica. Se representa como “Ak”. Para determinarlo hay que tener en cuenta no sólo la estequiometría sino también factores económicos. En el caso de que haya reacciones múltiples hemos de escoger el componente clave aquel que se presente en el mayor número de reacciones.

Reactivo en exceso: Es el reactivo que se encuentre en mayor proporción estequiométrica. En una reacción química no tiene porque haber reactivo en exceso ya que puede darse que estén en proporción estequiométrica. Se define con la ecuación:

Rendimiento de un producto: Cantidad de moles de un producto Aj formados respecto a la cantidad de moles iniciales del reactivo limitante.

No suele darse un rendimiento del 100% ya que existen restricciones economicas u operacionales (debidas a la cinética de reacción).

Selectividad de un producto: Parte de un reactivo limitante que se transforma en un determinado producto.

2.- Definir calor de reacción, como varía con la Tº?

Calor de reacción: Calor asociado a la reacción química, se puede definir como la diferencia de entalpías entre productor y reactivos. Se puede calcular a partir de los calores de formación de las especies que intervienen en la reacción química.

AHº > o endotérmico AHº<0 exotérmico.

La expresión que relaciona el calor de reacción con la temperatura es la ecuación de kirdhoff (en condiciones estándar).

3.- Definir el diagrama de equilibrio, forma para reacción exotérmica reversible e irreversible.

Diagrama de equilibrio: Es la representación gráfica en la cual se representa el grado de conversión en el equilibrio respecto a la temperatura del sistema químico. Nos permite saber como cambia Xk respecto a Tº.

En la irreversible no hay diagrama de equilibrio.

4-. Método diferencial para determinar la cinética de una reacción química reversible.

Utilizaremos el método por exceso:

r = K· CA·CB

Haremos tantos experimentos como reactivos tengamos, en este caso haremos 2 experimentos.

1er experimento: CB >>>CA

Cuanto más exceso pongamos de B, menor será la variación de CB, x tanto:

r = K· CA·CB r = K1 ·CA

K1= K · Cb de aquí sacremos K1 y 

Cte

2º experimento

Al reves sacaremos K11 y 

Conociendo:

5.- Catálisis heterogenea. Etapa controlante.

Cualquiera de las 7 etapas puede ser la etapa controlante.

TME: Transferencia de materia externa. A se mueve de la fase fluida hasta la fase externa del catalizador.

DI: difusión interna.

Adsorción: adsorción superficial de la molécula de A sobre el sólido.

Reacción química: baja la energía de activación y se da la reacción química tras adsorberse. Formación de la molécula B. A desaparece.

Desorción o desasorción: B se desengancha del catalizador.

DI: difusión interna de B, hasta llegar a la superficie del catalizador desde el punto activo donde estaba (camino inverso)

TME: acaba en la fase fluida.

Si la etapa controlante es la TME: hay que favorecer agitación en líquidos o favorecer turbulencias en gases.

Si es la DI hemos de disminuir el el tamaño de la partícula (catalizador). A menor tamaño del catalizador, menor probabilidad de q la etapa controlante sea esta.

Adsorción/desorción no suelen ser nunca etapa controlante

La que nos interesa que sea la etapa controlante es la reacción química ya que la actuación sobre ella es más fácil. Podemos intervenir haciendo cambios en la temperatura.

6.- Definir:

Reactor real: Cualquier reactor que no sigue un modelo de flujo pistón o de mezcla perfecta. Es decir, su modelo de flujo no es ideal. No diseñamos reactores reales porque matemáticamente son muy complicados.

Reactor ideal: Su modelo de flujo es ideal. Existen 2 tipos:

Mezcla perfecta: Cualquier punto del recipiente presenta las mismas propiedades.

Flujo pistón: cualquier corte tranversal de la sección presenta las mismas propiedades.

Adiabáticos: Son aquellos aislados térmicamente. AHº de la reacción será absorbida por la mezcla y por lo tanto Tº no será cte.

Intermedios: Aquellos reactores donde una parte del calor es eliminado externamente. Tº no es cte.

Isotérmo: La Tº en el interior del reactor se mantiene cte, para ello estaran dotados de un sistema de intercambio de calor.

7.- Series:

RCTA'S isotermos: Nos permite un menor tiempo de residencia con lo que obtendremos de volumen y nos permitirá un aumento del caudal.

RCTA'S adiabáticos: Se ahorra volumen y se consigue una Xk más elevada (con intercambiador de calor intermedio).

RCFP'S isotermos: no se utilizan. No viables económicamente.

RCFP'S adiebáticos: No hay ahorro de volumen, pero si se puede incrementar Xk.

10.- Definir:

Multiplicidad: Se da en los reactores intermdios, ya que son los únicos capaces de tener diferentes estados estacionarios.

Tº ignición: es la temperatura necesaria para pasar de un estado estacionario a otro superior.

Tº extinción: Caida brusca de la temperatura. Caso contrario al anterior.

e.e estable:

e.e. inestable: estado estacionario situado entre 2 estados estacionarios estables.

11.- Definición de DTR: “distribución del tiempo de residencia” Técnica experimental que nos permite saber el grado de desviación de un reactor real respecto a la idealidad.. El reactor ya existe y por tanto no se hace en el diseño sino en un reactor ya operativo. Se realiza cuando este reactor nos da resultados no esperados. Es una técnica llamada estímulo-respuesta que se basa en la inyección de una sustancia inerte (trazador) y se sigue la evolución de la concentración a la salida del reactor.

(S-E) + A = G

· e.e.

·  y V Cte.

· Referenta a Ak

Xk



Xk r 

n -1

n

n +1

AHº Cte con Tº

T1=T2

(energía / t)

"

Para líquidos

NT = NT0 +  ·NK0 · Xk

NT = NT0 +  ·NK0 · Xk

Ql=Ql0 ·(1+ k ·Xk)

NT

k

0

Cuidado con el orden de reacción

K·CA

T