ÍNDICE Contenido INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 2 3.0 REACTORES IDEALES ...................................................................................................................... 3 3.1 OPERACIÓN DE UN REACTOR ........................................................................................................ 3 3.1.1 Reactor Intermitente Ideal…………………………………………………………………………………………………….3 3.1.2 Reactor de Flujo Pistón………………………………………………………………………………………………………….3 3.1.3 Reactor de Tanque Agitado…………………………………………………………………………………………………..4 3.2 PARÁMETROS DE DISEÑO DE UN REACTOR .................................................................................. 5 3.2.1 Reactor Intermitente Ideal…………………………………………………………………………………………………….5 3.2.2 Reactor de Flujo Pistón………………………………………………………………………………………………………….6 3.2.3 Reactor de Tanque Agitado…………………………………………………………………………………………………..7 3.3 REACCIÓN CATALIZADA ................................................................................................................. 8 CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................... 10 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 11
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INTRODUCCIÓN
La ingeniería de las reacciones químicas se ocupa de la aplicación a escala comercial de las mismas. Su objetivo es el diseño y la operación eficiente de los reactores químicos, y probablemente es la actividad que establece a la ingeniería química como una rama independiente de la ingeniería. En una situación típica, el ingeniero se enfrenta a una serie de interrogantes: ¿cuál es la información necesaria para atacar un problema?, ¿cuál es la mejor manera de obtenerla? y, luego, ¿cómo seleccionar el diseño apropiado entre las diferentes opciones? Para ello, se hace hincapié en los razonamientos cualitativos, en los métodos de diseño sencillos, en los procedimientos gráficos y en la comparación constante de las características de los principales tipos de reactores. Este enfoque ayudará a desarrollar un sólido sentido intuitivo para el diseño correcto, que luego servirá de guía y reforzamiento de los métodos formales. En la siguiente información se tratan ideas sencillas que luego se llevan a terrenos más complejos. Además, a lo largo de todo el documento se pone en relieve el desarrollo de una estrategia común de diseño para rodos los sistemas de reacción. Aunque el nivel matemático para estos temas no es particularmente elevado (sólo se necesitan conocimientos de cálculo elemental y de ecuaciones diferenciales lineales de primer orden), esto no significa que las ideas y los conceptos que se muestran sean simples. No es sencillo desarrollar nuevas formas de pensamiento e intuición. Considero que la habilidad para resolver problemas (el proceso de aplicar los conceptos a nuevas situaciones) es esencial para el aprendizaje.
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3.0 REACTORES IDEALES Son tres los reactores ideales en los cuales reaccionan un solo fluido; a esto se le denomina reacciones homogéneas, es decir, aquellas reacciones que se encuentran en la misma fase. Los reactores ideales son los intermitentes, los de tanque agitado en estado estacionario y los de flujo pistón en estado estacionario, estos reactores se pueden operar de forma isotérmica o no isotérmica. Salida = f (entrada, modelo de flujo, modelo de contacto, cinética, parámetro de diseño). Modelo de contacto y de flujo: forma en la que las sustancias fluyen y se ponen en contactos unas con otras si se mezclan enseguida o no, si forman aglomerados de moléculas o no. Estos factores afectan el comportamiento. Cinética: rapidez con que suceden los cambios de composición en el reactor. Si las reacciones de equilibrio son muy rápidas, los productos a la salida estarán en equilibrio. Si las operaciones no son tan rápidas, la velocidad de reacción o la transferencia de materia y calor pueden determinar el comportamiento del reactor. Un reactor se considera un ideal si: Los reactantes están mezclados a la entrada del reactor, es decir, el tiempo de mezcla es cero y todo el volumen es útil para la reacción. No se forman agregados moleculares Se sigue un modelo de flujo ideal. El modelo de flujo tiene dos extremos de mezcla que representan la máxima mezcla posible y la inexistencia de la misma.
3.1 OPERACIÓN DE UN REACTOR 3.1.1Reactor Intermitente Ideal Los reactivos se cargan inicialmente en el reactor, se mezclan muy bien y se deja que reaccionen por cierto tiempo. Luego la mezcla resultante se descarga. Esta es una operación en estado no estacionario en la que la composición va variando con el tiempo; sin embargo, la composición en cada instante es uniforme en todos los puntos del reactor. ( Levenspiel, 2004) 3.1.2 Reactor de Flujo Pistón El primero de los dos reactores ideales de flujo en estado estacionario se conoce por varios nombres: reactor de flujo pistón, de flujo tapón, tubular ideal, así como reactor continuo de flujo uniforme. Se caracteriza porque el flujo del fluido a través del reactor es regular, es decir, ningún elemento del mismo sobrepasa o se mezcla 3
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con cualquier otro elemento situado antes o después de aquél. De hecho, en este reactor puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca puede existir mezcla o difusión a lo largo de la trayectoria de flujo. La condición necesaria y suficiente para que exista flujo pistón es que el tiempo de residencia de todos los elementos del fluido sea el mismo. ( Levenspiel, 2004) 3.1.3 Reactor de Tanque Agitado Se denomina reactor de tanque agitado, reactor de flujo mezclado, reactor de retromezclado, C* (C asterisco), CSTR, o CFSTR (constamjlow stirred wnk reactor), y como su nombre lo indica. Es el reactor cuyo contenido está perfectamente agitado y su composición es la misma en todos los puntos del mismo. Así la corriente de salida de este reactor tiene la misma composición que la del fluido contenido dentro del reactor. ( Levenspiel, 2004)
Figura 1. Los tres tipos de reactores ideales. a) reactor intermitente; b) reactor de flujo pistón; c) reactor de tanque agitado.
La siguiente tabla muestra las ventajas y desventajas de los reactores ideales.
Operación en discontinuo 1 Generalmente
mejor para volúmenes de producción. (V)
Operación en continuo
pequeños Mejor para producciones indefinidas de un producto o conjunto de productos. (V)
2 Más flexible en operaciones multiproducto
(V) 3
Generalmente requiere relativamente bajo, (V)
un
capital Generalmente requiere relativamente alto. (D)
un
capital
4 Fácil de parar y limpiar. (V) 5 Requiere un tiempo de parada inherente No hay tal tiempo (V) pero las paradas
entre cargas. (D)
provocadas por mantenimientos inesperados pueden ser costosas. (D) 4
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO 6 El
Coste de operación relativamente alto. (D)
puede
ser Coste de operación relativamente bajo. (V)
7 Estado no estacionario implica control de Estado estacionario implica control de
proceso y una uniformidad de producto más proceso y una uniformidad de producto difícil de conseguir. (D) menos difícil de conseguir. (V) Tabla 1: Ventajas (V) y desventajas (D) de la operación en continuo y en discontinuo
3.2 PARÁMETROS DE DISEÑO DE UN REACTOR 3.2.1 Reactor Intermitente Ideal Para obtener sus parámetros de diseño es necesario hacer un balance de materia referido a cualquier componente A. Para ello, generalmente se selecciona el componente limitante o clave. Puesto que en un reactor intermitente la composición es uniforme en cualquier instante, se podría efectuar el balance referido a todo el reactor.
= = +ó+ó é ó +( ó í )( )
Esta es la ecuación general que nos indica el tiempo necesario para que se alcance una conversión en condiciones de operación isotérmica o no isotérmica (ec.1). El volumen del fluido reaccionante y la velocidad de reacción permanecen dentro de la integral debido a que, en general, varían durante el transcurso de la reacción. Esta ecuación podría simplificarse para ajustarse a varias situaciones. Si la densidad del fluido permanece constante, se tiene:
∫ ∫ 0
ec. 1
Para todas las reacciones en las que el volumen de la mezcla reaccionante cambia proporcionalmente con la conversión (ec.2) (como por ejemplo, en las reacciones sencillas en fa se gaseosa con variación significativa de la densidad), la ecuación anterior se transforma en:
∫ 1+ ∫ 1+
ec. 2
Del mismo modo que el tiempo t de reacción es la medida natural del funcionamiento de un reactor intermitente, el espacio-tiempo y el espacio-velocidad son las medidas 5
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apropiadas para medir el funcionamiento de los reactores de flujo continuo (ec. 3 y 4). Estos términos se definen del modo siguiente: (SMITH, J.M. 1991) Espacio-tiempo:
1 ( )[ ] ó , .
ec. 3
Espacio-velocidad:
ó 1 −] [ , ú .
ec. 4
3.2.2 Reactor de Flujo Pistón La ecuación de diseño para el reactor de tanque agitado se obtiene a partir de un balance de un componente determinado en un elemento de volumen del sistema. Como la composición es uniforme en todo el reactor. El balance puede referirse a todo el volumen del reactor.
+ó ó+ó= ϝ ⁄ϝ1Ϝ ⁄Ϝ Ϝ1 . Ϝ 1+ 1 , 0
Si es el caudal molar del componente A que entra al reactor (ec. 5,6,7,8), entonces se considera al reactor como un todo y se obtiene: ec. 5
Entrada de A, Salida de A,
ec. 6
Desaparición de A por reacción,
Introduciendo estos términos se tiene:
ec. 8
Para las reacciones de primer orden la ecuación que se emplea es (ec.10): ec. 10
Para reacciones de segundo orden, A productos, anterior se transforma (ec.11):
la ecuación
6
ec. 7
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1+√ 21+4
ec. 11
Estas expresiones pueden escribirse en función ya sea de las concentraciones o de las conversiones. (SMITH, J.M. 1991) 3.2.3 Reactor de Tanque Agitado En un reactor de flujo pistón la composición del fluido varía de un punto a otro a lo largo de la dirección del flujo; en consecuencia el balance de materia para un componente de la reacción debe hacerse para un elemento diferencial de volumen.
+ó ó+ó= ϝ ⁄Ϝ ⁄Ϝ + Ϝ
Si es el caudal molar del componente A que entra al reactor (ec. 12, 13,14), entonces se considera al reactor como un todo y se obtiene: Entrada de A,
ec. 12
ec. 13
Salida de A,
Desaparición de A por reacción,
. .
Ϝ ∫ Ϝ ∫
ec. 14
Ϝ
Para resolver el reactor es necesario integrar estas expresiones. Ahora bien, es la velocidad de alimentación, es constante, pero depende de la concentración o de la conversión de los componentes (ec.15, 16). Agrupando los términos, se obtiene: ec. 15
ec. 16
La ecuación anterior (SMITH, J.M. 1991) permite determinar el tamaño del reactor necesario para una conversión deseada conociendo la velocidad de la alimentación. La diferencia entre las ecuaciones es que en el reactor de flujo en pistón es variable mientras que en el reactor de tanque agitado es constante. En cuanto a una expresión más general para los reactores de flujo pistón, si la alimentación a la que se refiere la conversión (subíndice 0) entra al reactor parcialmente convertido (subíndice i) y sale con la conversión indicada por f, se tiene (ec.17, 18):
Ϝ ∫
ec. 17
7
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∫ 1
ec. 18
Para el caso especial de sistemas de densidad constante (ec.19):
Para todos los reactores:
ec. 19
ó, # , # ó , ó ó, ,
3.3 REACCIÓN CATALIZADA
En muchos mecanismos de reacción existe una etapa elemental, con una velocidad menor que la del resto de etapas, que limita la velocidad global de la reacción. Para conseguir que la reacción transcurra a mayor velocidad una opción sería aumentar la temperatura, sin embargo, esto podría hacer disminuir la concentración en el equilibrio del producto que deseamos, o bien dar lugar a reacciones secundarias que consuman el producto deseado, o que generen impurezas. Para evitar todo esto suele ser útil el empleo de un catalizador. (Fogler, H. Scott. 2001) Un catalizador puede definirse como una sustancia capaz de hacer que un sistema químico alcance más rápidamente su estado de equilibrio, sin alterar las propiedades de dicho equilibrio ni consumirse durante el proceso. Los catalizadores deben tener las siguientes características: No debe ser ni reactivo ni producto, por lo tanto no aparecerá en la ecuación global de la reacción química. Son eficaces incluso si existe en muy pequeñas cantidades en el sistema químico. Se recupera al final del proceso en el mismo estado en el que se ha introducido, es decir, que podría volver a utilizarse de nuevo. No altera las variables termodinámicas del proceso, porque el catalizador ni aporta ni consume energía del sistema; no cambia ni ∆H ni ∆G ni ∆S de la reacción. Un proceso que no sea espontáneo no será favorecido por la presencia de un catalizador. Acelera por igual la reacción directa e inversa. El catalizador conduce la reacción más rápidamente al estado de equilibrio por ambos sentidos. 8
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En general, los catalizadores son específicos, es decir, aceleran sólo una reacción concreta y no el resto. Hay varios tipos de procesos de catálisis: Catálisis homogénea: En este caso, el catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos. Puede ser en fase gaseosa o en fase líquida, pero en cualquier caso es poco utilizada a nivel industrial Catálisis heterogénea: el catalizador se encuentra en una fase distinta a la que están los reactivos. Se utiliza mucho en procesos industriales y su mecanismo más común está basado en la adsorción de las moléculas reaccionantes. Catálisis enzimática: Casi todos los procesos bioquímicos necesitan ser catalizados. Las sustancias que catalizan las reacciones bioquímicas se llaman enzimas y son proteínas de elevada masa molecular.
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CONCLUSIÓN Los reactores por lotes o intermitentes rara vez se utilizan en escala comercial para reacciones en fase gaseosa, debido a que la cantidad de producto que puede obtenerse en un reactor de tamaño razonable es pequeña. El principal uso de los sistemas por lotes en reacciones gaseosas es en estudios cinéticos. Por otra parte, los reactores por lotes se utilizan frecuentemente para reacciones en fase líquida, particularmente cuando la producción requerida es pequeña. La operación de los reactores intermitentes generalmente es más costosa que la de los continuos, para los mismos requerimientos de producción. Sin embargo, el costo inicial de los sistemas continuos puede ser más alto debido a la instrumentación requerida. Por tanto, para productos de precio relativamente alto (farmacéuticos ), donde los gastos de operación no son un factor predominante en el costo de operación total, se usan reactores por lotes. A lo largo de la información presentada se consideró la expresión matemática denominada ecuación cinética o ecuación de velocidad, que describe el progreso de una reacción homogénea. La ecuación de velocidad para un reactivo i es una magnitud intensiva acerca de la rapidez con que se forma o desaparece éste en un ambiente dado en función de las condiciones encontradas. En el diseño de reactores se busca conocer qué tamaño y tipo de reactor, así como qué método de operación, son los mejores para un fin determinado. Debido a que esto podría requerir que las condiciones en el reactor varíen con la posición y el tiempo, para ello es necesario efectuar la integración apropiada de la ecuación cinética para la operación.
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BIBLIOGRAFÍA Levenspiel, Octave. 2004. Ingenieria de las racciones quimica. Mexico : Limusa, 2004. Tercera edicion. Hill, C.G.Jr., "An Introduction to Chemical Engineering Kinetics & Reactor Design", Wiley 1977. Fogler, H. Scott. 2001. Elementos de ingenieria de las reacciones. Mexico : Prentice Hall, 2001.Tercera edicion. SMITH, J.M. 1991. Ingenieria de la cinetica quimica. Mexico : Mc Graw Hill, 1991. Costa, J.; Cervera.; Cunill, F.; Esplugas, S.; Mans , C. Mata, J. “Curso de Ingeniería Química”. Reverté. Diversos anys
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