UNIDAD 1.FUNDAMENTOS
REACTORES QUÍMICOS.
DEL DISEÑO DE
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REACTORES QUÍMICOS. La cinética química y el diseño de reactores en el corazón de casi todos los procesos industriales. De la selección del sistema reactivo depende la operación segura y económica del proceso. El diseño de reactores esta presenta en sistemas industriales, ambientales y biológicos.
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REACTORES QUÍMICOS. 1.1 Velocidad de reacción (-r A). La velocidad de reacción es la rapidez con que se consume una cierta cantidad de moles de una especie química para formar otra especie química.
En una reacción química, un número detectable de moléculas de una especia se transforma en una nueva especie química, la masa total no es crea ni es destruye. Las especies individuales que intervienen en una reacción en particular se conocen como reactivos (si desaparecen) o productos ( si de forman ) con una velocidad dada. La velocidad de desaparición de una especie (A), es el numero de moléculas A que pierden su identidad química (reaccionan) por unidad de tiempo por unidad de volumen debido a la ruptura y subsecuente formación de enlaces químicos durante el curso de la reacción. Los tipos de reacciones químicas que se pueden encontrar, en general, se clasif ican como: descomposición (los reactivos se rompen moléculas más pequeñas, átomos o fragmentos de átomos), combinación entre dos o más moléculas o isomerización (implica un cambio en su conf iguración).
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REACTORES QUÍMICOS. Reacción de descomposición. A → B + C
umeno
!!"
#enceno $ %ropileno
Reacción de composición. A + B → C
%ropileno $ &idrógeno ' %ropano
Reacción de %olimerización A → ( A )n
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REACTORES QUÍMICOS. omo se e(presa la velocidad de reacción )
*ricloro!acetaldeido
loro#enceno
Dicloro Difenil Tricloroetano +DD*
A + 2B → C + D mol − r A = 4 lt ∗ seg
La velocidad de reacción, r, es el número de moles que reaccionan por unidad de tempo y unidad de volumen. Se mide en (mol·s -1·l-1)
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REACTORES QUÍMICOS. -omenclatura i signos para deinir la velocidad de reacción.
A + 2B → C + D
r i
/e deine como la velocidad de reacción + desaparición ó también de ormación del producto i
/i ri 0 1, es un reactivo,es decir, se consume. /i ri " 1, es un producto,es decir, se orma.
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REACTORES QUÍMICOS. Símbolos y signos para def inir la velocidad de reacción, r.
r’ describe la velocidad de reacción de ormación de reacciones !eero"#neas. Las reacciones !eero"#neas presenen varias ases (sólido-l$quido, l$quido-"as, "as-sólido, "as-l$quido-sólido). %imensiones de r’ : número de moles de & que reaccionan por unidad de empo por unidad de masa de catalizador (mols's · " de caaliador)
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REACTORES QUÍMICOS. Lo que debe saber.....2222
ri es una ecuación al"ebraica que es función de les propiedades de los materiales que reaccionan y las condiciones de reacción ( *, +, , caaliador). La ecuación de velocidad pera ri es independiente del tipo de reactor donde La ecuación de velocidad para
se lleva a ermino la reacción. Las propiedades y les condiciones de reacción de las especies que reaccionan pueden variar con la posición en un reacor qu$mico, por lo ano, ri puede ser una función de la posición variane en un puno o en oro del sisema.
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REACTORES QUÍMICOS. Lo que debe saber.....2222 La ley de velocidad de una reacción qu$mica es una ecuación
concentración
algebráica i depende
− r A = k (T ) f ( C A , C B , ... ) − E a k ( T )= k 0 exp
( ) RT
- el ermino de emperaura si"ue la ley de &rr!enius. - el ermino de concenraciones es propio de cada reacción. La dependencia de la concenración de la ley de velocidad se !a de observación experimental .
determinar por
*emplos de leyes de velocidad por convenio -r & corresponden a la velocidad de desaparición de & de la reacción −r A = kC A
A → productos
−r A = kC A2 − r A =
k 1 C A
de la
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REACTORES QUÍMICOS. 1.2 Balances molares. %ara 3acer un balance de materia +b.m., se deben deinir las ronteras del sistema, los que se llama, volumen de control. &aciendo un b.m. %ara una especie química i 4
5i
5i1 6i 7elocidad de acumulación de i en el sistema. +mol8tiempo
:
5lu9o neto de i que entra al sistema. +mol8tiempo
$
7elocidad de 5ormación de i por reacción química del sistema. +mol8tiempo
!
5lu9o neto de i que sale del sistema. +mol8tiempo
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REACTORES QUÍMICOS. 1.2 Balances molares. dN i dt
= F i0 +G i − F i
-i son el n;mero de moles en el volumen de control en el tiempo t.
Si las propiedades del sistema son uniformes : T, P, C j, ..., uniformes en todo el volumen de control Gi
[ ] [ ] gmol s
= r i
gmol V [ L ] s∗ L
Si ri varia con la posición dentro del sistema (hay pequeñas variaciones en el volumen pero podemos considerar que r i uniforme)
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REACTORES QUÍMICOS. 1.2 Balances molares.
G i=
Δ G =∑ r ∑ = = k
k 1
ik
Δ V k
k 1
*omando los limites adecuados y apelando a la deinición de integral, la ecuación tomar< la orma4 → ∞ Δ V → 0
V
G i =∫ r i dV
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REACTORES QUÍMICOS. 1.2 Balances molares. El balance general de materia con reacción química queda:
V
F io − F i +
∫ r i dV
=
dN i dt
Este es el balance general de masa, con la cual se desarrollan las ecuaciones de diseño, para varios tipos de reactores industriales.
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REACTORES QUÍMICOS. 1.3 Teoría de Colisiones Es una teoría propuesta por Max Trautz y William Lewis en 1916 y 1918, que explica cualitativamente cómo ocurren las reacciones químicas y porqué las velocidades de reacción dif ieren para diferentes reacciones. Para que una reacción ocurra las partículas reaccionantes deben colisionar. Solo una cierta fracción de las colisiones totales causan un cambio químico; estas son llamadas colisiones exitosas. Las colisiones exitosas tienen energía suf iciente (energía de activación) al momento del impacto para romper los enlaces existentes y formar nuevos enlaces, resultando en los productos de la reacción.
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REACTORES QUÍMICOS. 1.4 Efectos de la temperatura sobre al velocidad de reacción. La velocidad de casi todas las reacciones químicas aumenta, en general, con la temperatura +se duplica o triplica por cada =1 > de aumento. ?na de las ecuaciones m
( ) − E a RT
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REACTORES QUÍMICOS. 1.4 Efectos de la temperatura sobre al velocidad de reacción. La energía de activación +Ea se deina como la energía mínima que deben tener las moléculas antes que la reacción ocurra. A el actor e(p+!Ea8R*, es el actor que da la racción de moléculas con c3oques e(itosos.
