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mariabelenlunanovoa
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selectividad y rendmientoximena garcia
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Reacciones Mltiples (Captulo 6) Trabajar en trminos de flujos molares y concentracines;NO usar conversin!
Tipos de Reacciones Mltiples
1. Reacciones en Serie (Producto intermedio que contina reaccionando).
2. Reacciones Paralelas (Reactivo es consumido por dos trayectorias de reaccin).
3. Reacciones Complejas: Combinacin de reacciones en serie y paralelas.
4. Independientes (Alimentaciones que contienen muchos reactivos)
Maximizar formacin de producto deseado y minimizar formacin de producto indeseado (costos de separacin !!)
Selectividad y rendimiento
Cuantificacin de formacin de producto deseado, D, con respecto a producto indeseado, U.
1
Instantnea Global
Selectividad Udeformacin de VelocidadD deformacin de VelocidadSDU = indeseado producto salidamolar Flujo
deseado producto salidamolar FlujoS~DU =
Batch)(Reactor NN
S~
U
DDU =
Rendimiento
batch)(Reactor NN
NY~
AAo
DD =
Ejemplo: Producto deseado, rD=k1CA2CB
producto indeseado, rU=k2CACB
Operar a alta concentracin de A. Usar RFP.
2
Reacciones paralelas.
2U
1D
AUUk
ADDk
Ckr )(indeseado UA
Ckr (deseado) DA
==
Velocidad de desaparicin de A:
-rA = rD + rU = kDCA1 + kUCA2 1 y 2 > 0 Selectividad instantnea:
21A
U
D
U
DDU Ck
krr
S == SDU debe ser mxima.
Caso 1: 1 > 2
Sea: a = 1 - 2 (diferencia positiva) aAU
D
U
DDU Ck
krr
S ==
Para valor alto de SDU Mantener CA alta : Fase gas: Ausencia de inertes y P alta Fase lquida: Mnimo uso de diluyentes Reactor: Batch o RFP No usar RCPA
Caso 2: 2 > 1 a = 2 - 1
aAU
D
AU
D
AU
AD
U
DDU Ck
kCkk
CkCk
rrS
122
1 ====
Alto SDU Mantener baja CA
3
Dilucin con inertes Reactor RCPA Reactor con reciclo (corriente de producto acta como diluyente)
Efecto de la temperatura sobre la selectividad
Depende de la razn de constantes cinticas:
==RTEE
AA
kkS UD
U
D
U
DDu exp
Caso 3: ED > EUkD (y por lo tanto rD) aumenta ms rpidamente con T que kU (y rU)
Operar reactor a la temperatura ms alta posible.
Caso 4: EU > ED
Mantener reaccin a baja T para maximizar SDU, pero no tan baja como para detener la reaccin.
Revisar ejemplo 6-1 en pizarra.
Reacciones en Serie. Ejemplo:
Esta reaccin en serie puede escribirse tambin como:
4
Reaccin (1)
Reaccin (2)
Especie A:
Especie B:
Usando el factor integrante,
a t = 0, CB = 0
Cmo llevar a cabo la reaccin para obtener la mxima concentracin de B?
5
Entonces:
Y:
Encontrar la selectividad para el sistema en un RCPA. MODIFICACION DEL ALGORITMO CRE PARA REACCIONES MULTIPLES.
1. Balance molar para todas las especies. 2. Ley de velocidad: Velocidad neta de reaccin para cada especie, p/ej.:
rA = riA 3. Estequiometra
Fase lquida: Usar CA
Fases Gaseosa: Usar:
4. Combinar.
6
Bala s Tipo de Reactor
nces MolareFase Gase sa o Fase Lquida
Batch
Semibatch
RCPA
RFP
RLF
A B in.
Para N reacciones, la velocidad neta de formacin de la especie A es:
OBS.: r y r corresponden a velocidades NETAS de formac
Velocidades netas de Reaccin para la Especie A
Para una reaccin i dada:
7
Ejemplo: Reaccin en Fase Lquida
(1) k1A est definida para la especie A
(2) k2C est definida para la especie C. CASO 1: RFP
Balances Molares A:
B:
C:
D:
Leyes de velocidad (Rxn i)
Especie A
8
Para la reaccin (1):
A+2B-->C Para la reaccin (2):
3C+2A-->D
Especie B Especie C
Epecie D
Estequiometra
Combinando
Especie A
9
Especie B
Especie C
Especies D
Evaluar Usando Polymath
k1A=0.5
k2C=2.0
at t=0: V=0, CAO=4, CBO=4, CCO=0, CDO=0
Vf=5 dm3
CASO 2: RCPA Fase Lquida
10
Especie A
Especie B
Especie C
Especie D
Se especifica V, CAo, Cbo y las constantes de velocidad kij.
Se obtienen 4 ecuaciones con 4 incgnitas: CA, CB, CC y CD. Usar el resolvedor de ecuaciones no lineales de Polymath. Ingresar el balance molar combinado con las leyes de velocidad de la siguiente forma:
11
CASO 3: Semibatch fase lquida
Especie A
Especie B
Especie C
Especie D
V=VO+vOt
Evaluar usando Polymath
Parmetros
Condiciones Iniciales
Dos reactivos y selectividad: Diferentes formas de contacto.
12
Reacciones Mltiples en fase gaseosa (Cap. 6) Ejemplo: Reacciones en fa Gaseosa en un RFP.
(1)
(2)
Algoritmo Balances molares
A:
B:
C:
D:
13
Leyes de Velocidad (Rxn i)
Especie A
Para reaccin (1): (dada)
Para reaccin (2):
(1)
Especie B (2)
Especie C (3)
Especie D (4)
Estequiometra (5)
Combinando
14
(6)
Evaluar Usando Polymath
Parmetros (7)
(8)
(9)
Condiciones Iniciales
Usar el resolvedor de ecuaciones diferenciales ordinarias de Polymath.
15
Para un RCPA: Las ecuaciones (1) a (9) se aplican a un RCPA en fase gaseosa como lo hacen las condiciones iniciales.
A:
B:
C:
D:
Total: FT = FA + FB + FC + FD
5 ecuaciones y 5 incgnitas.
Usar el resolvedor de ecuaciones de Polymath.
16
Ejemplo 6-5: Para el siguiente sistema reactivo:
Reaccin 1: NO + 2/3NH3 5/6N2 + H2O
Reaccin 2: 2NO N2 + O2
Reaccin 3: O2 + 1/2N2 NO2
Escribir los balances molares en un RFP en trminos de los flujos molares de cada especie.
Solucin:
Reacciones en fase gaseosa
Concentraciones:
const.) Py T (Si FF
C
TT
PP
FF
CC
T
jTo
o
oT
jTOj
=
=
Flujo molar total de gases:
FT = FNO + FNH3 + FN2 + FH2O + FO2 + FNO2
Balances molares:
Para NO: 2NO2N2
5.1NO3NHNO1NO
NO Ck2CCkrdV
dF == 2
T
NO2TO2N2
5.1
T
NO
T
3NH5.2TONO1
NOF
FCk2F
FF
FCkdV
dF
=
Para NH3 : 5.1
NO3NHNO1NO13NH13NH3NH CCk
32
r32
rrdV
dF ====
17
5.1
T
NO
T
3NH5.2ToNO1
3NH
FF
FF
Ck32
dVdF
=
Para H2O: 5.1
NO3NHNO1NO1O2H1O2HO2H CCkrrr
dV
dF ==== 5.1
T
NO
T
3NH5.2ToNO1
O2HF
FF
FCkdV
dF
=
Para N2: 2
2O2N2O32NO2N2
5.1NO3NHNO12N
2N CCk21CkCCk
65r
dVdF +==
2
T
2O
T
2N3TO2O3
2
T
NO2TO2N2
5.1
T
No
T
3NH5.2ToNO1
2NFF
FFCk
21
FFCk
FF
FFCk
65
dVdF
+
=
Para O2:
2
T
2O
T
2N3To2O3
2
T
NO2To2N2
2O
2O32N22O32O22O2O
FF
FFCk
FFCk
dVdF
rrrrrdV
dF
=
+=+==
Para NO2: 2
T
2O
T
2N3TO2O32O32NO32NO
2NOFF
FFCkrrr
dVdF
====
Datos: Flujos de alimentacin Fjo, temperatura y presin inicial (To y Po) y constantes cinticas kij.
Debe resolverse el sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (Polymath).
18