REACCIONES EN SERIE

REACCIONES IRREVERSIBLES DE PRIMER ORDEN EN SERIERecordemos que para reacciones en paralelo la clave para la distribucin de productos era el nivel de concentracin de los reactivos.En el caso de las reacciones en serie, la clave es la mezcla de fluidos de distintas concentraciones. Se obtiene la cantidad mxima de producto intermedio cuando se evita la mezcla de fluidos de diferentes composiciones.

Para lograr una mejor comprensin tomare la consideracin de que las siguientes reacciones tienen lugar nicamente en presencia de la luz.

Para una intensidad dada de radiacin dada las ecuaciones cinticas son:

REACCIONES IRREVERSIBLES DE PRIMER ORDEN EN SERIEESTUDIO CUALITATIVO SOBRE DISTRIBUCION DE LOS PRODUCTOSRealizando el estudio aun reactor que inicialmente solo contiene el reactivo A consideraremos 2 caminos:Primero, todo el contenido es irradiado de una sola vez.

Segundo, se extrae una pequea corriente continua de reactor, se irradia y se regresa al vaso.

Es diferente la Distribucin de los Productos R y S por los dos caminos?Primera Forma:El primer rayo de luz solo afectar a A debido a que inicialmente solo esta presente A causando la formacin de R.El siguiente rayo de luz har que A y R sean afectados, debido a que A esta en mayor proporcin absorber preferentemente la energa radiante para descomponerse.Este comportamiento persistir hasta que R alcance una concentracin suficientemente alta que le permita competir de modo favorable con A en cuanto a absorber la energa radiante.

Segunda Forma:

Una pequea fraccin del contenido del reactor se extrae continuamente, se irradia y se regresa al reactor.El fluido irradiado bien podra sufrir conversin completa; en este caso, entonces, se retirara A del reactor y se regresara S.Entonces conforme pasa el tiempo la concentracin de A disminuye, la de S aumenta y R no existe o existe o es mnima.

Es diferente la Distribucin de los Productos R y S por los dos caminos?Aplicaciones: Contacto favorable para reacciones en serieSe van a presentar 3 parejas de reactores, para cada pareja de reactores elegir aquel, que me permita obtener la mayor cantidad de R, y citar brevemente el mtodo de operacin que usara. Para la siguiente reaccin:

Pareja 1:Para reacciones lentas, ambos dispositivos son satisfactorios y producirn una concentracin mxima similar.Para reacciones rpidas y con agitacin insuficiente de fluido, en el segundo dispositivo se producir un mayor conversin de A en la zona del haz de luz; mientras que en los alrededores no habr dicha conversin, generndose as una heterogeneidad en la concentracin, teniendo como consecuencia una disminucin en la concentracin mxima de R

Pareja 2:Para reacciones lentas, de modo que la conversin por paso sea bastante lenta ambos dispositivos seran satisfactorios.Para reacciones rpidas es preferible el segundo dispositivo debido a que la conversin por paso de cada uno de esos reactores arreglados en paralelo es aproximadamente la tercera parte del la conversin de salida del ultimo de los reactores arreglados en serie del primer dispositivo, por ello se mezclan corrientes con diferencias de conversiones mas pequeas.

Pareja 3:Para el primer dispositivo (reactor de mezcla completa) definitivamente no se obtendr una concentracin de R mxima, debido a que A entra puro y se mezcla abruptamente con una mezcla de composicin XA.Para el segundo dispositivo analizamos distintos casos de recirculacin:Con recirculacin total (R=), tendramos un rector de mezcla completa, como en el primer dispositivo, en el cual no se obtendr concentracin mxima de R.Sin recirculacin (R=0), tendramos un reactor de flujo en pistn, en cual no se mezclan corrientes de composiciones diferentes y por ende se obtendr una concentracin mxima de R.Por ello se elige el segundo dispositivo sin recirculacin.

Estudio cuantitativo de reacciones en serie

Reactores de flujo en pistn o para reactores discontinuosCriteriosReacciones mono molecular de primer orden de la forma:

Alimentacin constituida solo por A, sin nada de productos de reaccin R y S.Densidad constante (=0).Si se trabaja en un rector batch(Sistema discontinuo) se utiliza el termino tiempo de reaccin (trxn); y se trabaja con un reactor de flujo en pistn(Sistema fluyente) se utiliza su anlogo el tiempo espacial().

Se hallan la velocidad relacionadas con su ecuacin cintica para cada especie.

Obtenemos mediante integracin la concentracin en funcin del tiempo para cada componente.

El tiempo en el cual se alcanza la concentracin mxima de R, se obtiene derivando la CR respecto al tiempo e igualando esta expresin a cero, resultando:

La concentracin mxima de R se obtiene reemplazando el tmax en CR, resultando:

Para un reactor de flujo en pistn:ConclusionesEn base al primer diagrama, y para una constante cintica de la primera reaccin (k1) constante, se tiene que: La concentracin del reactante A (CA) desciende en todo momento.La concentracin del producto intermedio R (CR), aumenta hasta un mximo y luego desciende.La concentracin mxima de R (CRmax) depende de la relacin k2/k1, y para un mismo tiempo espacial(), se observa que, cuanto mayor es esta relacin CRmax toma valores mas pequeos.ConclusionesEn base al segundo diagrama, se observa que:Para una misma conversin de A (xA), se puede obtener del grafico, cuanto de R y S se han formado a partir de A.A menor relacin k2/k1, la conversin de A (xA) necesaria para obtener la concentracin de CR mxima (CRmax) aumenta.Estudio cuantitativoReactores de mezcla completa:Supongamos que:- Alimentacin no contiene los productos de reaccin R o S.Del balance de materia:

Para reactivo A:

Se sabe que:

Operando:

Estudio cuantitativo: Reactores de mezcla completa El balance de materia para el componente R:

No existe R al inicio:

Se sabe que:

Operando:

Para el componente S:Dado que:

Se tiene entonces:

Estudio cuantitativo: Reactores de mezcla completaDeterminamos la expresion de concentracion mxima de R:Hacemos:

Luego:

Simplificando:

Entonces, el componente R:

Curvas concentracin vs tiempo:

Grafica para varios valores de k1/k2 !

Para una constante cintica de la primera reaccin (k1) constante, se tiene que:La concentracin del reactante A (CA) desciende en todo momento.La concentracin del producto intermedio R (CR), aumenta hasta un mximo y luego desciende.La concentracin mxima de R (CRmax) depende de la relacin k2/k1Cuanto mayor es k2/k1 (k2>k1), CRmax toma valores mas pequeos y tiempos cortos.

k2/k1 = 0, significa que k1>>k2 lo que indica un comportamiento similar a una reaccion:

Entonces no hay un punto de inflexion (no corta el lugar geometrico de CR).Si k2 >> k1, la reaccion se asemeja a:

Entonces, todo lo que se forma de R, se convierte en S rapidamente, por lo que es practicamente imperceptible.

Concentraciones relativas de los componentes:

Es independiente del tiempo!

Se observa que:Para una conversin de XA, se puede obtener la cantidad de R y S que se han formado a partir de A.A k2/k1 < 1, la conversin de A (XA) necesaria para obtener la concentracin de R mxima (CRmax) aumenta.A k2/k1 > 1 y a grandes conversiones se obtiene el producto S en mayor proporcion que el producto R.Cuanto mas k2/k1 se aproxime a 0, se formara menos S y la curva ira desapareciendo.

Conclusin: Estudio cuantitativo

Curvas concentracin vs tiempo:Reactor flujo pistnReactor de Mezcla completaConclusin: Estudio cuantitativo- La diferencia entre los tiempos aumenta conforme k2/k1 se aleja de la unidad- El reactor de flujo pistn necesita siempre un tiempo menor que el reactor de tanque agitado para alcanzar CRmax

Reactor flujo pistnReactor de Mezcla completaConclusin: Estudio cuantitativoPara cualquier reaccin:La CRmax que puede obtenerse de un reactor de flujo pistn es siempre mayor que la obtenida en un reactor de tanque agitado

Reactor flujo pistnReactor de Mezcla completaConclusin: Estudio cuantitativo

Reactor flujo pistnReactor de Mezcla completa- Muestran la distribucin de los materiales dentro de la reaccin.- Si se determina experimentalmente k1/k2, se puede comparar las curvas en la grafica apropiada.Comparacin de los rendimientos fraccionales de R en reactores de mezcla completa y flujo en pistn para la reaccin mono molecular