REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA TERRITORIAL “JOSÉ ANTONIO ANZOÁTEGUI” EL TIGRE- EDO. ANZOÁTEGUI
PROFESOR:
REALIZADO POR:
ING. LILIANA RODRÍGUEZ
SECCIÒN PQ-01
T.S.U MARTINEZ JOVANNY C.I 17.592.584 T.S.U VARGAS HENNY C.I 17.433.701
EL TIGRE, ENERO DE 2017
INTRODUCCIÓN Las reacciones entre los componentes de un gas y un líquido se llevan a cabo en una gran variedad de equipos, los cuales a menudo tienen un nombre confuso. Esta gran variedad de sistemas ha de cumplir unas condiciones básicas: contacto eficiente entre gas y líquido, limitación en la caída de presión, fácil extracción de calor y bajo coste de construcción y mantenimiento. Dependiendo de si la mayor resistencia a la transferencia de materia se da en el líquido o en el gas, los reactores multifásicos operan con la fase líquida dispersa y la gaseosa continua o al contrario. La elección de circulación entre paralelo o contracorriente del gas y el líquido depende de la disponibilidad de fuerzas impulsoras para las transferencias de masa y de calor y la reacción. Existen varios tipos de equipos para reacciones gas-líquido. La clasificación está basada en aspectos geométricos, la presencia o ausencia de catalizadores sólidos y las direcciones de flujo. Todas estos factores, servirán para la elección del diseño más adecuado y este viene siendo uno de los grandes problemas de la Ingeniería de reactores ya que cada reactor debe diseñarse con una metodología independiente del tamaño y reacción que se lleva a cabo, esto debido a que el diseño y la operación de estos equipos requieren conocer las velocidades de los procesos tanto físico como químicos, así como los principios que gobiernan a las transferencias de masa y energía ya que son frecuentemente tan importantes como los que rigen a la cinética química. Para este caso el objeto de estudio serán los reactores para reacciones fluidofluido, específicamente el reactor semicontinuo G/L que es una variación de un reactor discontinuo. Un reactor se considera semicontinuo en una gran diversidad de circunstancias, puede tener algunos elementos en continuo y otros en discontinuo. En este tipo de reactores un reactante se añade de forma intermitente o de forma continua a otro es añadido por cargas en el reactor, o un producto puede ser eliminado de forma intermitente o continua del reactor a medida que la reacción tiene lugar.
REACTORES PARA REACCIONES FLUÍDO-FLUÍDO (DISEÑO DE REACTORES SEMICONTÍNUOS G-L) Reacciones Fluído-Fluído Las reacciones heterogéneas fluido-fluido se realizan por tres razones. La primera es que el producto de la reacción puede ser un material deseado. Estas reacciones son numerosas y pueden encontrarse en prácticamente todas las áreas de la industria química donde se emplea la síntesis orgánica. Un ejemplo de reacción gas-líquido que es el objeto de estudio, es la cloración del benceno líquido y otros hidrocarburos con cloro gaseoso. También se pueden llevar a cabo reacciones fluido-fluido para facilitar la eliminación de un componente no deseado de un fluido. Así, la absorción de un soluto gaseoso por agua puede acelerarse añadiendo una sustancia adecuada al agua, la cual reaccionará con el soluto que se está absorbiendo. La tercera razón para el uso de sistemas fluido-fluido es obtener una distribución ampliamente mejorada de productos para reacciones homogéneas múltiples con respecto a la distribución que se obtendría en un sistema de una sola fase. Se vuelve ahora a las dos primeras razones, ambas relacionadas con la reacción entre sustancias que originalmente están presentes en fases diferentes. Los siguientes factores determinarán cómo abordar este proceso:
La Expresión de Velocidad Global: Puesto que los materiales en las dos fases separadas deben ponerse en contacto para que la reacción ocurra, tanto la velocidad de transferencia de masa como la velocidad de reacción entrarán en la expresión de velocidad global. Solubilidad de equilibrio.
La Solubilidad de los Componentes Reaccionantes: Limitará su movimiento de una fase a otra. Este factor ciertamente influirá en la forma de la ecuación de velocidad. ya que determinará si la reacción tiene lugar en una fase o en ambas.
El Esquema de Contacto: En los sistemas gas-liquido predominan los esquemas de contacto semicontinuo y en contracorriente. En los sistemas líquido-líquido
predominan
los
tanques
agitados
(mezcladores-
sedimentadores) y el contacto por lotes, además de los contactos en contracorriente y en flujos en cocorriente. Se pueden concebir muchas combinaciones de velocidad, equilibrio y esquemas de contacto; sin embargo, sólo algunas de éstas son importantes en el sentido de que son ampliamente utilizadas en la escala técnica.
Reactores de flujo no estable (Semicontinuos) Un reactor de tipo tanque que no opere con estado estable puede describirse como un reactor semicontinuo. El comportamiento semicontinuo se produce después de iniciar la operación de un reactor de tanque con flujo, en el que se modifican las condiciones de un estado estable a otro o bien se suspende la operación. Los procesos de purga en los que se añade un material inerte al reactor, también pueden clasificarse como operaciones semicontinuas. Un reactor semicontinuo es una variación de un reactor discontinuo. Un reactor se considera semicontinuo en una gran diversidad de circunstancias, puede tener algunos elementos en continuo y otros en discontinuo. En este tipo de reactores un reactante se añade de forma intermitente o de forma continua a otro es añadido por cargas en el reactor, o un producto puede ser eliminado de forma intermitente o continua del reactor a medida que la reacción tiene lugar. El sistema de reacción puede ser homogéneo o heterogéneo, es decir, de una sola fase o multifásico. Como reactor discontinuo, su operación es inherentemente no estacionaria y generalmente caracterizada por un ciclo de operación, aunque más complicado. Por ejemplo, en un fermentador se carga un reactante que produce por reacción dióxido de carbono el cual se retira continuamente. Otro ejemplo se halla en las reacciones gas-líquido, como las reacciones de cloración, en las que se hace burbujear el gas de manera continua sobre un líquido cargado. También es un reactor en el que una fase se alimenta continuamente, fluye de manera continua a través del reactor, mientras que la otra fase se halla cargada en el reactor. Esta operación es no estacionaria respecto a la fase cargada y puede ser estacionario, como por ejemplo en un reactor catalítico de lecho fijo, o no estacionario respecto a la fase que fluye, como en un lecho fijo con sólido reactante.
Este tipo de reactores presenta una gran cantidad de variaciones, por lo que es muy difícil generalizar el diseño o el análisis. Las siguientes figuras correspondes a reactores semicontinuo gas-líquido, como por ejemplo la fermentación anaeróbica en la que se alimenta O2 o aire continuamente al substrato líquido (producción de penicilina).
El reactor semicontinuo es probablemente el tipo de reactor más frecuente en la industria química, especialmente en la de química fina, en los laboratorios de química orgánica y en los procesos biotecnológicos; esto motivado a las múltiples ventajas que estos ofrecen y las pocas desventajas que poseen:
VENTAJAS
Permiten controlar las concentraciones y con ello mejorar la selectividad del sistema de reacciones.
El control de la temperatura, sobre todo en reacciones exotérmicas.
Evitar la toxicidad de sustratos para producir organismos o enzimas aislados.
Eliminar el producto permite aumentar la conversión y la selectividad.
Evitar la acumulación de reactantes propensos a la descomposición térmica.
Simular la producción continua especialmente para pequeña escala.
DESVENTAJAS:
Al igual que en el reactor discontinuo, la producción se ve limitada por la naturaleza cíclica.
El coste de operación puede ser elevado.
El diseño y el análisis de operación es complicado por ser estado no estacionario.
Un dispositivo como cualquiera requiere un sistema de tuberías y de válvulas complejo. En un sorprendente contraste, la descripción de la operación del reactor semicontinuo es la menos cubierta. La razón principal de esta discrepancia es la dificultad en obtener soluciones analíticas de las ecuaciones diferenciales que la describen. Además, generalmente todo varía: concentraciones, temperatura y volumen.
El reactor semicontinuo se usa con frecuencia debido a sus propias características especiales. Por ejemplo, algunas veces es ventajoso añadir inicialmente la totalidad de un reactante y seguir después con la introducción de los otros en forma continua. Cuando el calor de reacción es elevado, el desprendimiento de energía puede controlarse regulando la adición de uno de los reactantes. De esta manera las desventajas de los reactores por lotes que se derivan de sus malas características de transferencia de calor pueden ser parcialmente eliminadas. Esta forma de operación semicontinua permite también cierto grado de control de la concentración de la mezcla reaccionante y, por tanto, de la velocidad de la reacción, lo cual no es posible en reactores continuos o por lotes. Otro ejemplo es aquel en que los reactantes se encuentran todos inicialmente en el recipiente, pero uno de los productos debe eliminarse continuamente, como en la eliminación del agua, mediante ebullición, en las reacciones de esterificación. En este ejemplo, la ventaja obtenida es un aumento en la velocidad debido a la eliminación de uno de los productos de la reacción reversible y a un aumento de la concentración de los reactantes.
Diseño de Reactores Semicontinuos G-L En primer lugar, se debe elegir el tipo adecuado del equipo de contacto, para luego calcular el tamaño necesario. El diseño de este tipo de reactores es en estado no estacionario. Sin embargo, en algunos casos es posible simplificarlo realizando ciertas aproximaciones. Existen dos tipos de equipos: torres y tanques, se pueden apreciar en la siguiente tabla:
Características de los equipos Semicontinuo G/L
Como cabría esperar, estos equipos presentan amplias diferencias en cuanto a relaciones de volumen G/L, áreas interfasiales, k g y k p, y fuerzas impulsoras de concentración. Las propiedades particulares del sistema a tratar, la solubilidad del reactivo gaseoso, la concentración de los reactivos, etc. de hecho, la localización de la resistencia principal en la ecuación de velocidad, sugerirán el uso de un tipo de equipo y no el otro, dependiendo totalmente de sus características que en medida las observamos en la tabla anterior.
Factores a considerar en el diseño y selección de reactores Semicontinuos G/L
Las torres tienen una fuerza impulsora mayor, y esto supone una ventaja frente a tanques, ya que en muchos casos el volumen del equipo es menor. Los tanques agitados tienen la menor fuerza impulsora.
Para gotas de líquido en un gas, k G es grande y k L es pequeña. Para burbujas de gas en un líquido, k G es pequeña y k lL es grande.
Los lechos de relleno funcionan mejor con relación de caudales molares de líquido a gas de L/G ≅10 a 1 atm. Otros contactores son más flexibles, puesto que trabajan bien en un amplio rango de valores L/G.
Si la resistencia controlante está en las superficies, se debe optar por altos valores de ‘a’, por lo que se debe elegir algún tipo de contactor agitado o columna. Si la resistencia se da en la película gaseosa, será mejor usar un contactor de spray. Si se da en el líquido, usar lechos de burbujas.
Si la resistencia se da a la reacción en el seno del líquido, se desea una gran fracción de volumen de líquido, por lo que se usarán tanques.
Para gases muy solubles, el control se produce en el gas, por lo que se evitarán los tanques de burbujas. Para gases muy poco solubles, el control se produce en el líquido, por lo que se deben evitar torres de spray.
La reacción disminuye la resistencia a la absorción en el líquido, por lo que, para la adsorción de gases muy solubles, la reacción química no ayuda, mientras que sí que ayuda para los gases poco solubles.
Las ecuaciones de balance de masa para las operaciones semicontinuas:
pueden incluir los cuatro términos del balance general:
Las corrientes de alimentación y extracción del reactor causan cambios en la composición y el volumen de la mezcla reaccionante, además de las variaciones debidas a la propia reacción. Existen muchas alternativas de operación. Uno de los reactantes puede estar presente en la carga inicial del reactor, mientras que el otro reactante se añade con régimen continuo, en forma periódica o a una velocidad continuamente variable. En términos de la concentración molal C i de la especie i, de la velocidad de flujo volumétrico Q y del volumen del reactor V, la Ec. de Balance general toma la forma:
donde r i es la velocidad molal de producción de
i.
Además del balance de masa de
la especie, se puede escribir un balance total de masa. Si las densidades de las corrientes de alimentación y de salida son p f y p es, la Ec. de Balance General para el flujo total es:
Las dos expresiones son suficientes para determinar la concentración del efluente (Ci )e, y el volumen del reactor en función del tiempo, siempre y cuando se conozcan las velocidades de flujo Q f y Q e con respecto al tiempo, se disponga de los valores de las densidades, se conozca r i en función de las concentraciones y se cuente con las concentraciones iniciales. Frecuentemente se requieren métodos de integración numérica incluso para las situaciones isotérmicas.
Diseño (Reacción Lenta)
Diseño (Reacción Rápida (C,D))
A continuación, se muestra un caso de ejemplo para el diseño de un reactor semicontinuo. La reacción en fase líquida A+B→C, se lleva a cabo en un reactor tanque agitado ideal (de mezcla perfecta) en el que se ha cargado el reactante A y el reactante B se añade lentamente. El BMM (Balance de Masa) sobre A es:
El BMM global en unidades másicas es:
si la densidad del sistema es constante:
con lo que el BMM de A resulta:
Por otro lado, el BMM de B e s:
Expresado en función de conversión deben debe implementarse las siguientes ecuaciones:
Evidentemente, el modelo matemático requiere también del balance macroscópico de entalpia:
Cuyos términos se concretarán según el tipo de reactor semicontinuo y del régimen de operación, isotermo o adiabático. Es necesario señalar que el área de intercambio de calor también puede ser variable. En este tipo de reactores, al igual que en los discontinuos, el diseño del intercambio de calor puede ser complicado y determinante. Por otro lado, la densidad y el calor específico pueden ser constantes o variables. Si el orden de la reacción no es ni cero ni uno, y/o la reacción es no isoterma la resolución de este sistema de ecuaciones debe ser numérica.
CONCLUSIÓN
El Diseño de Reactores Semicontinuos G/L concretará sus términos según el tipo de reactor semicontinuo y del régimen de operación, isotermo o adiabático. Es necesario señalar que el área de intercambio de calor también puede ser variable. En este tipo de reactores, al igual que en los discontinuos, el diseño del intercambio de calor puede ser complicado y determinante. Por otro lado, la densidad y el calor específico pueden ser constantes o variables. Si el orden de la reacción no es ni cero ni uno, y/o la reacción es no isoterma la resolución de este sistema de ecuaciones debe ser numérica. Además, las reacciones heterogéneas fluido-fluido son determinantes en la obtención de productos valiosos mediante reacciones gas-líquido, contribuyen a eliminar productos indeseados de corrientes gaseosas con disolventes líquidos. Por otro lado, llevan a cabo reacciones líquido-líquido en sistemas inmiscibles, la velocidad depende del modo de contacto entre las fases, transportan materia en cada una de las fases presentes, permitiendo el equilibrio físico entre las fases (solubilidad, transporte en la interfase)
