Clase 4 Reactores qcos.pdf

8/16/2019 Clase 4 Reactores qcos.pdf

1/13

1

Procesos Biotecnológicos II 2015

Reactores QuímicosTeóricos Prof. G. Picó

2

reactor

Un recipiente donde ocurre una transformación química bajo condicionesreguladas

¿ qué es un reactor químico?


2/13

3

Funciones principales de un reactor químico

1) Manejo adecuado de las variables del proceso (p, V, T,

catalizadores, pH, etc)

2) Mejorar el proceso de mezcla entre los componentes

3) Hacer que el tiempo de contacto entre reactivos sea el adecuado

LOGRAR UN BUEN RENDIMIENTO DEL PRODUCTO

4

Permite el manejo de las variables de estado

T, p, pH, [ ], pO2, etc

Determ ina la relación entre las v ariables d e

estado

ECUACIONES DE ESTADO

4

ANALISIS DE COSTOS

VIABILIDAD


3/13

5

Clasificación de los reactores

Número de fases: homogéneo

heterogéneo

Tipo de operación (carga y descarga de reactivos y

productos):

Discontinuos

Continuos

Forma de mezcla de los reactivos: reactores ideales

Reactor es r eales

Según entrada y salida de la energía: is o térm ic os ,

adi abátic os

6

Velocidad de reacción

• La velocidad de reacción es la velocidad mediante una especie estransformada por unidad de volumen.

• La velocidad de reacción (mol/L s) puede se expresada mediante:

– La velocidad de desaparición de un reactivo: -r A

O como

– La velocidad de formación de un producto: r P 6

ESCALADO DEL RECTOR

Se sigue los mismos caminos que para escalar un

agitador

P/V cte, Re cte, Na cte


4/13

7

Según el t ipo de f lujo in terno :

Reactores ideales : suelen ser descritos con ecuaciones ideales sencillas y noconsideran efectos físicos más complejos o perturbaciones pequeñas.

Parte del supuesto que la mezcla de todos loscomponentes dentro del reactor es perfecta.

Reactores no ideales : consideran el patrón de flujo, la existencia de zonasmuertas dentro del reactor donde el material no circula, además consideran unadinámica de fluidos más compleja

CLASIFICACION DE LOS REACTORES

Según las fases que alberg an:

Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas.

Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-sólido, líquido-sólido, gas-líquido, gas-líquido-sólido.

V , C A

8

Reactores ideales

V , C A

V , C A

REACTOR IDEAL

1. Los reactantes son mezclados a la entrada del reactor, el tiempo de

mezcla es cero.

2. No se forman agregados moleculares.

3. Se sigue un modelo de flujo ideal.

Las condiciones para alcanzar el mezclado cercano al ideal son:

la relación H T - DT (relación altura del tanque vs diámetro del tanque).

- la viscosidad del medio

- velocidad de agitación


5/13

9

Los reactores ideales

La clasificacion se basa en como varia la velocidad de reacción

1- Reactor discontinuo, o en lote o batch

tiempo

V e l o c i d a d

d e r e a c c i

ó

n

Vaciado y

descarga

V , C A

10

tiempo

V e l o c i d a d

d e r e a c c i

ó

n

Reactor continuo

V , C A

Fo

Co A

F1

C A

Reactores continuos: estan en estado estacionario


6/13

11

Balance de masas

time

mole

time

mole

time

mole

time

mole

dt dN G F F

jSpeciesof

on Accumulati

Rate Molar

jSpeciesof

Generation

Rate Molar

out jSpecies

of Rate

Flow Molar

in jSpecies

of Rate

Flow Molar

j j j j

0

F j0 F jG j

System

Volume,

V

11

12

Balance de Masas

Ecuación general de balance de masas

Volumen constante: V

In Out Generation Accumulation

F A0 F

A r

A dV dN

A

dt

F A0

F AG A

System

Volume,

V

12


7/13

13

V , C A

Reactor por lote, discontinuo o batch

Ptos Aa

[ ] [ ] {[ ]} [ ]masa queentra masa quesale masa generada masa consumida masa acumulada enel sistema

14

Balance de masas reactordiscontinuo

F A0 F

A r

A dV dN

A

dt

F A0 F A 0

dN A

dt r

AV

Batch

V r dV r A A

Well Mixed

14


8/13

15

Balance de masas

dt dN

A

r AV

integrando

Tiempo necesario para reducir el número de moles de A

de NAo a NA.

t = 0 NA=NA0

t = t NA=NA

A

A

N

N A

A

V r

dN t

0

15

16

dt vC vdt

dC

dt Vol

dN

reaccióndeordenoniendocteVol si

vVol dt

dN

A A A

A A

A

A

1sup,

A

o A

C

C A

A

v

dC t

A A C k v

Ao

A

A

C

C

A A

AC

C

A

k C

C t

C k

dC

v

dC t

A

o

A

A

o

A

ln

t es el tiempo requerido para que el reactivo Aadquiera una concentración C A, siendo laconcentración inicial C Ao

OTRA FORMA DE LLEGAR

Donde es lo mismo que r


9/13

17

C ACo AC A

Av

1

Area bajo la curva = tiempo

Sentido de la reacción

Graficamente:

Ao

A

Ak

C

C t ln

22

18

Ejemplo

Supongamos que la reacción elemental, y de primer orden,A → B se lleva a cabo en un reactor por lote (batch).la constante de velocidad de reacción (k a 20°C) es igual a 0.05 min -1.

• Calcular el tiempo que se requiere para convertir 90 % del reactivo A. • Cual es el efecto de incrementar la velocidad de reacción? • Como puede conseguirse este efecto?

Ao

A

Ak

C

C t ln

C ACo AC A

Av

1

Area bajo la curva = tiempo

Sentido de la reacción

SI LA ESTEQUIOMETRIA DE LA REACCION ES MAS COMPLEJA

SE TRABAJA CON FRACCIONES DE REACCIÓN

X, varía entre 0 y 1o

A

A

o

A

A

C

C C X


10/13

19

2) Reactor continúo tipo tanque agitado (CSTR ): (Continuously Stirred Tank Reactor )

V , C A

Fo Co A

F1 C Atiempo

V e l o c i d a d

d e r e a c c

i

ó n

Estos reactores trabajan en estado estacionario, los valores de las variables novarían con el tiempo.

También denominados de

ordeñe constante

20

Balance de Masas

In Out Generation Accumulation

F A0 F

A r

A dV dN

A

dt

F A0

F AG A

System

Volume,

V

V , C A

Fo Co A

F1 C A


11/13

21

F A0 F

A r

AV 0

V F

A0 F

A

r A

V r dV r A A

Si la mezcla es perfecta

Es el volumen necesario para disminuir el flujo de FA0

a FA.

Reactores continuos Balance de masa

21

22

FA es el caudal molar( moles/ volumen)Q es el caudal volumétrico (volumen/ tiempo)

A

A A

A

A

A A

A

A A

r

C C

Q

V

r

QC C

r

F F V

)(

)(

0

00

)/()./)(( t Vol LmolesmasaQC F A A

V F

A 0 F

A

r A

Tiempo espacial: tiempo necesario para procesar unvolumen de alimentación igual al volumen de reactor

S= 1/ velocidad espacial: numero de volúmenes dereactor que se procesan por unidad de tiempo


12/13

23

A A

A

A

A

A A

A

kC

dC

Q

V

r

C C

Q

V

)( 0

masa

V S

capacidad de rendimiento del reactor,un factor escala de valor bajo significa una masa de productocontenida en un volumen pequeño

C

C k

kC

dC

kC

dC

Q

V

r

C C

Q

V

o

A A

A

A A

A

A

A

A A

A

log

)( 0

Integrando entre C AO y C A

Dado que k es constante, el rendimiento del reactor se puede controlarcon la Co del reactivo limitante

24

Ventajas y desventajas entre el reactor po r lote y el reactor c ont inúo

Reactor discontinuo Reactor continuo

Es adecuado para trabajar convolumenes de producción menores

Es adecuado para la produción degrandes cantidades de productosdurante un tiempo muy largo


Se puede emplear en diferentestipos de racciones

No se puede emplear para cualquiersistema. Se emplea para el sistema

para el cual ha sido diseñado Su mantenimiento es económico Su mantenimiento es de alto costo

El proceso se puede detener, paralimpiar facilmente el reactor.

Se detiene en tiempos largos, elproceso de re acondicionamientogeneralmente es costoso


13/13

25


Se pierde mucho tiempo entre cadaciclo, debido a la limpieza y re

acondicionamiento

Como trabaja continuamente, el reacondicionamiento se hace en tiempos

largos. El producto producido puedevariar de calidad entre los ciclos.

El producto producido es uniforme


No se puede intercalar en unproceso continuo, necesita tanquespara guardar el producto

Fácil de intercalar en un procesocontinuo

Su costo de instalación es bajo Alto costo de instalación einfraestructura

26

Reactores en serie

a) Por lote o discontinuo Ao A

Ak

C

C t ln

tiempo

% d

e t r a n

s f o r m a c i ó n

0

60

30

V , C A

V , C A

t1 t2

Necesita un tanque intermediopara acumular los productos

Documents

Clase 4 Reactores qcos.pdf