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5/17/2018 asignacion - slidepdf.com

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3. Solubilidad y Difusividad de gases en Liquidos

Reactores Multifásicos

Un reactor tiene múltiples fases siempre que su contenido no forma una solución de

una sola fase. Para estas dos fases puede ser gas-liquido, líquido-líquido, gas-sólido,

líquido y sólido.

Características de los Reactores Multifásicos :

1. Son esenciales pasos de transferencia de masa entre las fases siempre acompañan

etapas de reacción, y estos frecuentemente controlar la tasa general de las reacciones

químicas.

2. Las ecuaciones de masa y energía de la balanza debe ser por escrito y resuelto para

cada especie en cada fase.

3. La gravedad es frecuentemente importante en el control de los patrones de flujo,

como más ligeros fases tienden a subir y las fases más densas tienden a caer en el

reactor.

4. Mezclar dentro fases y la mezcla entre fases frecuentemente tiene un efecto

dominante.

5. Solubilidad y la distribución de fase de las especies entre las fases requieren una

aplicación cuidadosa de los principios de equilibrio de fase termodinámica.

Nota: en los Reactores Multifásicos se logran conversiones superiores al que se recibe

de las restricciones de equilibrio en un proceso monofásico.

TIPOS:

Reactores de Transferencia de Masa: Son básicamente reactores de

transferencia de masa. Por lo tanto, esencialmente. En estos las reacciones son

frecuentemente catalizadas por sólidos, de modo que la pared sólida o

estructuras en el reactor son a menudo catalizadores cuya actividad y la

estabilidad son importantes, así como las mejoras de transferencia de masa que

proporcionan.



Reactores de Membrana: reactor en el cual las dos fases se separan por una

pared y sólo una especie puede impregnar. También es común tener catalizador

dentro de los reactores de membrana perfiles de concentración a través de un

gas-líquido interfaz en equilibrio y con el flujo de masa de izquierda a derecha.

“Hay una discontinuidad en CA entre el gas-líquido y fases líquido-líquido

debido a las diferencias en el la solubilidades”

Reactor de Oxidación Parcial: reactor en el cual el oxígeno se difunde a partir

de una fase de un lado de una membrana permeable al oxígeno para reaccionar

con un combustible en el otro lado de la membrana. Esto evita una alta

concentración de 02 en el lado de combustible.

Reactor de Película Descendente: En el reactor de membrana una pared de la

zona Aβα

separa las fases, y esta área es generalmente fijada por la geometría del

reactor usando membranas planas o cilíndricas. Sin embargo, la mayoría de los

Reactores Multifásicos no tienen fronteras fijas que separan las fases, pero no

permiten el límite entre las fases a ser el área interfacial entre las fasesinsolubles. Es comúnmente un límite de área variable cuya área dependerá de las

condiciones de flujo de las fases.

El reactor de película descendente no tiene muchas aplicaciones, porque por lo

general se beneficia considerablemente mediante el uso de configuraciones en

las que el área de la superficie es tan grande como sea posible, pero el reactor de

película descendente conduce naturalmente a la descripción de muchos

Reactores Multifásicos de área variable.



Reactor Columnas de Burbujas: es un reactor en el cual un líquido fluye hacia

abajo en un tubo con burbujas de gas introducido en el fondo. Las burbujas

suben porque son menos densos que el líquido. En la parte superior de los gases

separó del líquido en el espacio de cabeza, mientras que el líquido puro se retira

en la parte inferior.

Perfil de Concentraciones



Reactor de Lecho Goteo: Es un reactor multifase en el cual un tubo o tanque

(un tubo muy grande) se llena con gránulos de catalizador embalado en una

cama y un líquido fluye hacia abajo sobre el catalizador, mientras que un gas

fluye hacia arriba o hacia abajo en contra corriente o flujo en iso-corriente.

Reactores Multifásicos con Catalizador: Un catalizador está presente para

promover la reacción. Si este es un catalizador homogéneo en una de las

sustancia reaccionante, el proceso se comporta como una verdadera reacción

homogénea.

REACTORES DE LECHO FIJO

Se refieren a sistemas de dos fases en los que el fluido reaccionante fluye a través de

un tubo lleno de partículas o gránulos catalíticos estacionarios. En estos reactores, habrá

regiones cerca de la superficie externa de las partículas en las que la velocidad del

fluido será muy baja. En estas regiones, que resultan especialmente evidentes cerca de

los puntos de contacto entre las partículas, la transferencia de masa y energía entre el

fluido global y la superficie del gránulo se produce primordialmente por conducción. A

medida que aumente la distancia de la superficie, el mecanismo dominante será la

convección. La complejidad de las trayectorias de flujo alrededor de un gránulo

individual suspendido en una corriente de fluido es considerable. Cuando esto se

combina con interacciones entre los gránulos, tal como sucede en los reactores de lecho

fijo, el problema de predecir o correlacionar las velocidades locales no tiene solución en

la actualidad. Por tanto, las velocidades de transporte se definen por lo general en

términos de un coeficiente. En los reactores con lecho de solido fijo el sólido que fluye

puede considerarse que contiene un reactante (la actividad) que se está consumiendo o

agotando en el reactor. Por consiguiente, lo trataremos como un sistema heterogéneo

reaccionante gas-sólido en el que el sólido es un macro-fluido y el gas un micro-fluido.

Reactores con Movimiento de Sólidos:

Las reacciones de este tipo suelen tener lugar en reactores continuos, tales como

chips de memoria(o de patatas) o líneas de procesamiento, en el que los sólidos pasan a



través de un horno con los gases reactivos como el aireo en un reactor de lecho

fluidizado sólido, estos reactores pueden ser de diferentes modelado como RTFT,

CSTR, por lotes o semicontinuo. Sin embargo, se debe tener en cuenta tanto los flujos

de líquido y las fases sólidas, porque hay momentos distintos de residencia de las fases

sólida y fluida donde V y V son los volúmenes y volumétricos como las tasas de f fluido

y fases sólidas s. Estos reactores son ejemplos de Reactores Multifásicos.

Criterios para elegir un Reactor Multifásicos:

Generación de Calor y la Absorción:

La generación de calor o la absorción causada por reacción química puede ser mucho

mayor que el calor liberado o absorbido en los cambios de fase. El calor de vaporización

de la mayoría de los líquidos es poca, mientras que los calores de reacción son con

frecuencia mucho mayores que éste. Los Reactores químicos pueden ser exotérmicos o

endotérmicos, y los efectos del calor con frecuencia pueden desestabilizar un proceso

químico de varias fases.

Ecuaciones de Balance de Masa:

Para Reactores Multifásicos se deben resolver una ecuación de balance de masa para

cada reacción en cada fase.



“Las especies químicas pueden transferir entre fases, lo que representa el acoplamiento

entre las ecuaciones de balance de masas. Esta geometría es similar a un reactor de

membrana en la cual una zona permeable A βα

(líneas discontinuas”.

Reacción sólo en una fase: En la mayoría de los reactores Multifásicos las

reacciones se producen sólo en una fase, con la otra fase que sirve para:

proporcionar un reactivo, eliminar un producto o proporcionar un catalizador. El

reactor catalítico es un ejemplo donde la reacción se produce sólo en el límite

con una fase sólida, pero, siempre y cuando el sólido se mantiene en el reactor.

Superficie Interfacial: Los reactores Multifásicos pueden ser bastante complejo

debido a que los volúmenes de cada fase pueden cambiar a medida que

transcurre la reacción y, más importante, el área interfacial entre las fases de un

Aα puede cambiar, dependiendo de la conversión, la geometría y las condiciones

de flujo. Por lo tanto, es esencial para describir la velocidad de transferencia de

masa y la zona interfacial en estos reactores con el fin de describir su

rendimiento. En muchas situaciones la velocidad de reacción será directamente

proporcional al área de superficie entre las fases siempre que la transferencia de

masa limita las velocidades de reacción. En algunas situaciones se proporciona

un área fija mediante el uso de partículas sólidas de un tamaño dado o por

reactores de membrana en que una pared fija separa las fases de la otra. Aquí

podemos distinguir paredes planas y hojas paralelas de membranas sólidas,

tubos y haces de tubos, y esférico sólidos o líquidos membranas, Estos son tres,

dos y una dimensiones límites de fase, respectivamente; algunos reactoresMultifásicos, agitando con un impulsor o el patrón de flujo causado por



gravedad controlará el área interfacial.

Transferencia de Masa hacia o desde una fase mixta

Para el CSTR el término de transferencia de masa para α fase en contacto con la

fase β se puede escribir como

Así, podemos considerarla transferencia de masa como la "reacción superficialreversible"

Insertando en las expresiones anteriores(A / V) adaptados a reacciones catalíticas, el

balance de masa en estado estacionario para un reactivo en una fase mixta se convierte

en:

Similar Ecuación para un CSTR con una transferencia de masa

Transferencia de masa acompañada con reacciones químicas

Análisis de sistemas reaccionantes gas- liquido

Transferencia de masa en reactores de gas - liquido

Adsorción física y Desorción

La adsorción física , o adsorción de “Van der Waals”, es el resultado de las fuerzas

intermoleculares de atracción entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida.

Por ejemplo, cuando las fuerzas atractivas intermoleculares entre un sólido y un gas son

mayores que las existentes entre moléculas del gas mismo, el gas se condensará sobre la



superficie del sólido, aunque su presión sea menor que la presión de vapor que

corresponde a la temperatura predominante. Cuando ocurra esta condensación, se

desprenderá cierta cantidad de calor, que generalmente será algo mayor que el calor

latente de evaporación y parecida al calor de sublimación del gas. La sustancia

adsorbida no penetra dentro de la red cristalina ni se disuelve en ella, sino que

permanece totalmente sobre la superficie. Sin embargo, si el sólido es muy poroso y

contiene muchos pequeños capilares, la sustancia adsorbida penetrara en estos

intersticios si es que la sustancia humedece al sólido. La presión de vapor en el

equilibrio de una superficie líquida, cóncava y de radio de curvatura muy pequeño, es

menor que la presión de una gran superficie plana; la extensión de la adsorción aumenta

por consecuencia. En cualquier caso, la presión parcial de la sustancia adsorbida es

igual, en el equilibrio, a la presión de la fase gaseosa en contacto; disminuyendo la

presión de la fase gaseosa o aumentando la temperatura, el gas adsorbido se elimina

fácilmente o se desorbe en forma invariable. Las operaciones industriales de adsorción,

del tipo que se va a considerar, dependen de su reversibilidad para recuperar el

adsorbente, para la recuperación de la sustancia adsorbida o para el fraccionamiento de

mezclas.

Efectos Térmicos en la Absorción de Gases

Una de las consideraciones más importantes para la operación de las columnas de

absorción gas-líquidos se refiere a la posible variación de la temperatura a lo largo de la

columna, debido a efectos térmicos, pues la solubilidad del gas a absorber, normalmente

depende de la temperatura. Los efectos térmicos que pueden producir variaciones de la

temperatura a lo largo de la columna de absorción se deben a:

1. El calor de disolución del soluto (incluyendo calor de condensación, calor de

mezcla y calor de reacción) que puede dar lugar a la elevación de la temperatura

del líquido.

2. El calor de vaporización o condensación del disolvente.

3. El intercambio de calor sensible entre las fases gas-líquido.

4. La pérdida de calor sensible desde los fluidos hacia los dispositivos de

enfriamiento interiores o exteriores o a la atmósfera a través de las paredes de la

columna.



Absorción Simultánea en dos Reacciones Gaseosas

Muchos procesos industriales de absorción van acompañados de una reacción química.

Es especialmente común la reacción en el líquido del componente absorbido y de un

reactivo en el líquido absorbente. Algunas veces, tanto el reactivo como el producto de

la reacción son solubles, como en la absorción del dióxido de carbono en una solución

acuosa de etanolaminas u otras soluciones alcalinas. Por el contrario, los gases de las

calderas que contienen dióxido de azufre pueden ponerse en contacto con lechadas de

piedra caliza en agua, para formar sulfito de calcio insoluble. La reacción entre el soluto

absorbido y un reactivo produce dos hechos favorables a la rapidez de absorción: la

destrucción del soluto absorbido al formar un compuesto reduce la presión parcial en el

equilibrio del soluto y, en consecuencia, aumenta la diferencia de concentración entre el

gas y la interfase; aumenta también la rapidez de absorción; el coeficiente de

transferencia de masa de la fase líquida aumenta en magnitud, lo cual también

contribuye a incrementar la rapidez de absorción.

6.Diseño de reactores multifasicos para procesos biológicos



Fermentación Enzimática

El termino fermentación puede emplearse en su significado estricto original (producir alcohol a

partir de azúcar y nada mas) o bien en un sentido mas o menos amplio. Se utilizar una

difinicion moderna amplia:

Desde el mas sencillo hasta el mas complejo, los procesos biológicos pueden calsificarse como

fermentaciones, procesos fisiológicos elementales y la acción de seres vivos. Ademas, las

fermentaciones pueden dividirse en dos grupos generales: aquellas promovidas y catalizadas

por microrganismos o microbios (levaduras, bacterias, algas, mohos, protozoos) y aquellas

promovidas por enzimas (sustancias químicas producidas por microrganismos). En general, las

fermentaciones son reacciones en las que una materia prima organica se convierte en

producto por la acción de microbios o por la acción de enzimas.

Cinetica de Michaelis-Menten (M-M)

En un medio favorable, es decir, con la enzima como catalizador, el compuesto organico A

reaccionara para producir R. Observaciones muestran el comportamiento de la figura 27.2.

Una expresión simple que tiene en consideración este comportamiento es



En búsqueda del mecanismo mas simple para explicar ests observaciones y esta forma de la

ecuación de velocidad, michaelis y menten propusieron el mecanismo siguiente que incluye

dos pasos elementales de reaccion

Algunas de las características especiales de la ecuación de Michaelis-Menten son:

Cuando Ca=Cm, la miad de la enzima esta en forma libre y la otra mitad combinada.

Cuando Ca>>Cm, la mayor parte de la enzima existe como complejo X.

Cuando Ca<< Cm, la mayor parte de la enzima existe en forma libre.

Esta ecuación se muestra en la gráficamente en la figura 27.3.

Fermentador Intermitente o de flujo Piston



Para este sistema, la integración de la ecuación M-M proporciona

Este comportamiento concentración-tiempo se muestra en l figura 27.4

Lamentablemente esta ecuación no puede graficarse directamente para encontrar los valores

de las constantes K3 y Cm. Sin embargo, reordenando los términos se llega a la siguiente

expresión que si puede ser graficada, como se muestra en la 27.5, para obtener las constantes

de velocidad



Fermentador de Tanque agitado

Insertando la ecuación M-M en la ecuación de diseño de tanque agitado, se tiene



Lamentablemente, no puede idearse ninguna grafica para calcular las constantes k3 y Cm. Sin

embargo, reordenando se encuentra una forma de la ecuación que si permite el calculo directo

de las constantes

Otros métodos para evaluar K y Cm

Los biológicos y los expertos en ciencias de la salud han desarrollado una tradición de ajustar y

calcular las constantes de la ecuación M-M con un procedimiento de etapas multiples:



Medir primero Caout contra Ʈ para datos tomados en cualquiera de los tres reactores

ideales, intermitentes, de tanque agitado o de flujo piston

Evaluar después –ra para varias Ca, ya sea directamente a partir de los datos obtenidos

en el reactor de tanque agitado [-ra=(Ca0-Ca)/Ʈ] o bien calculando las pendientes d los

datos del reactor intermitente o de flujo piston.

Graficar Ca contra (-ra) de una de las dos formas siguientes

Y deducir Cm y K a partir de estas graficas.

Este método de ingeniería de reacciones químicas que lleva a la ecuación 6 o la 8 ajusta los

datos experimentales de Ca contra Ʈ obtenidos en cualquier de los tres reactores ideales. Estemétodo es directo, menos propenso a enredos y mas confiables.

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