6.8 ELECCIÓN DE REACTOR

CONDICIONES - RESUMEN

El equilibrio químico se puede predecir a partir de datos para la energía libre. Hay varias fuentes de datos sobre libre energía. Están disponibles para la energía libre estándar de

1. Los datos tabulados formación a diferentes temperaturas. Están disponibles

2. Los datos tabulados para? HO y? SO en diferentes temperaturas y se pueden utilizar para calcular? GO de la Ecuación 6.4 escrito en condiciones normales:

Están disponibles para

3. Los datos tabulados? GO y? HO en temperatura estándar. Esto se puede extrapolar a otras temperaturas a partir de datos de capacidad calorífica.

4. Métodos están disponibles para permitir la termodinámica propiedades de los compuestos que se estimaron a partir de su etructure6 química.

La conversión de equilibrio se puede calcular a partir del conocimiento de la energía libre, junto con sus propiedades físicas a cuenta para no idealidades de vapor y en fase líquida. El equilibrio la conversión se puede cambiar mediante cambios apropiados a la temperatura del reactor, la presión y la concentración. La las tendencias generales de equilibrio de la reacción se resumen en la Figura 6.8.

Para los sistemas de reacción que implica múltiples reacciones productoras por productos, selectividad y rendimiento del reactor también puede ser mejorada mediante cambios apropiados de la temperatura del reactor, la presión y la concentración. La elección apropiada de catalizador también puede influir en la selectividad y el rendimiento del reactor.

Los argumentos se resumen en la figura 6.912.

Para los catalizadores soportados en capas, la optimización de la ubicación de los sitios activos dentro de los gránulos de catalizador maximiza la efectividad o la selectividad o el rendimiento del reactor. Las reacciones pueden ser catalizadas mediante las vías metabólicas en microorganismos o la utilización directa de las enzimas en reactores bioquímicos. El uso de enzimas directamente puede tener ventajas significativas si las enzimas se pueden aislar y inmovilizada de alguna manera.

6.7 CATALIZADORES

La mayoría de los procesos son catalizadas donde catalizadores para la se conocen reacción. La elección del catalizador es de crucial importante. Los catalizadores aumentan la velocidad de reacción, pero son idealmente sin cambios en la cantidad y composición química al final de la reacción. Si el catalizador se usa para acelerar una reacción reversible, no lo hace por sí mismo alterar la posición del equilibrio. Sin embargo, debería ser observado si se utiliza un catalizador sólido poroso, a continuación, diferente las tasas de difusión de diferentes especies dentro de un catalizador puede cambiar la concentración de los reactivos en el punto donde la reacción tiene lugar, influyendo así en el equilibrio indirectamente. Cuando están involucrados sistemas de múltiples reacciones, la catalizador puede tener diferentes efectos sobre las tasas de la diferentes reacciones. Esto permite que los catalizadores que se desarrollarán que aumentan la velocidad de

las reacciones deseadas con respecto a la reacciones no deseadas. De ahí la elección del catalizador puede tener una gran influencia en la selectividad. El proceso catalítico puede ser homogénea, heterogénea o bioquímica.

1. Los catalizadores homogéneos. Con un catalizador homogéneo, la reacción procede en su totalidad ni en el vapor o fase líquido. El catalizador puede modificar el mecanismo de reacción por la participación en la reacción, pero se regenera en una la etapa posterior. El catalizador es libre de promover aún más de reacción. Un ejemplo de un catalizador homogéneo tal reacción es la producción de anhídrido acético. En la primera etapa del proceso, el ácido acético se piroliza a cetena en la fase gaseosa a 700◦C.

La reacción utiliza fosfato de trietilo como un homogénea catalyst7.

En general, los catalizadores heterogéneos son preferibles a catalizadores homogéneos debido a que la separación y reciclado catalizadores homogéneos de frecuencia pueden ser muy difícil. Pérdida de catalizador homogéneo no sólo crea un gasto directo a través de la pérdida de material, sino que también crea un medio ambiente problema.

2. catalizadores heterogéneos. En la catálisis heterogénea, la catalizador está en una fase diferente de las especies reaccionantes. Muy a menudo, el catalizador heterogéneo es un sólido, que actúa sobre especies en la fase líquida o gaseosa. El catalizador sólido puede ser cualquiera de los siguientes.

• Materiales catalíticos a granel, en el que la composición bruto no cambia significativamente a través del material, tales como malla de alambre de platino.

• Los catalizadores soportados, en el que el material catalítico activo se dispersa sobre la superficie de un sólido poroso.

Reacciones catalítica en fase gaseosa juegan un papel importante en muchos procesos químicos a granel, tales como en la producción de metanol, amoniaco, ácido sulfúrico y la mayoría de petróleo procesos de la refinería. En la mayoría de los procesos, el área efectiva del catalizador es de importancia crítica. Catalizadores industriales son generalmente soportados sobre materiales porosos, ya que esto resulta en un área activa mucho más grande por unidad de volumen del reactor.

Así como dependiendo de la porosidad del catalizador, la reacción de tasa es alguna función de las concentraciones de reactivos, temperatura y presión. Sin embargo, esta función no puede ser tan simple como en el caso de reacciones no catalizadas. Antes de que una reacción puede tener lugar, los reactivos deben difundirse a través de los poros a la superficie sólida. La tasa global de una reacción gas-sólido heterogéneo en un catalizador soportado es compuesta de una serie de pasos físicos, así como el producto químico de reacción. Los pasos son los siguientes.

(A) transferencia de masa de reactivo de la fase gas a granel a la superficie sólida externa.

(B) La difusión de la superficie sólida a la activa interna sitios.

(C) Adsorción sobre la superficie sólida.

(D) Activación de los reactivos adsorbidos.

(E) reacción química.

(F) Desorción de los productos.

(G) la difusión interna de los productos al sólido externa superficie.

(H) La transferencia de masa a la fase de gas a granel.

Todos estos pasos son procesos de tipos y son temperatura dependiente. Es importante darse cuenta de que muy grande pueden existir gradientes de temperatura entre los sitios activos y la fase de gas a granel. Por lo general, un paso es más lento que el otro, y es esta etapa de control de velocidad. La eficacia factor que es la proporción de la tasa observada a lo que haría ser obtenido si la totalidad de la superficie interna de la pastilla estaba disponibles para los reactivos en las mismas concentraciones ya que tienen en la superficie externa. Generalmente, cuanto mayor el factor

de eficacia, mayor será la velocidad de reacción. El factor de eficacia depende del tamaño y la forma de la pastilla de catalizador y la distribución de material activo dentro del pellet.

(A) Tamaño del pellet. Si el material activo se distribuye uniformemente todo el pellet, entonces el más pequeño es el pellet, la mayor es la eficacia. Sin embargo, los gránulos más pequeños pueden producir una caída de alta presión a través inaceptablemente reactores de lecho fijo. Para reacciones en fase gaseosa en packed camas, la caída de presión es generalmente menos de 10% de la pressure9 entrada.

(B) La forma de pellets. El material activo se puede distribuir en pellets con diferentes formas. El más comúnmente formas utilizadas son esferas, cilindros y losas. Si la misma cantidad de material activo se distribuye uniformemente todo el pellet, a continuación, para el mismo volumen de pellet, el factor de eficacia está en el orden:

losa> cilindro> Campo

(C) Distribución de material activo. Durante el catalizador preparación, es posible controlar la distribución del material activo dentro de la pellet9 catalizador. No Uniforme la distribución del material activo puede aumentar la conversión, la selectividad o la resistencia a la desactivación en comparación con los catalizadores activos de manera uniforme. Es posible, en principio, para distribuir el material activo con casi cualquier perfil por el uso de la impregnación adecuada techniques10. Figura 6.7 ilustra algunos de las posibles distribuciones a través de la pastilla. Además de uniforme distribución (Figura 6.7a), es posible distribuir como cáscara de huevo en la que el material activo está situado hacia el exterior de la pastilla (Figura 6.7b), o yema de huevo en que el material activo está situado hacia el núcleo de el sedimento (Figura 6,7 ° C). Una distribución media localiza el material activo entre el núcleo y el exterior de el sedimento (Figura 6.7d). Para una sola reacción que implica una cantidad fija de material activo, se puede demostrar que para las condiciones en las que no hay desactivación del catalizador mecanismos, la eficacia de un soportados catalizador se maximiza cuando se concentran los sitios activos en una ubicación precisa con un ancho de cero como Dirac Delta Function11, como se ilustra en la Figura 6.7E. La óptima rendimiento del catalizador se obtiene mediante la localización la distribución de catalizador Dirac Delta para maximizar la velocidad de reacción aprovechando tanto de la temperatura y los gradientes de concentración dentro del pellet. La Función Delta de Dirac podría estar situada en la superficie, en el centro o en cualquier lugar entre. Desafortunadamente, es no es posible desde un punto de vista práctico para localizar el catalizador como una función delta de Dirac. Sin embargo, puede ser aproximar como una función de paso en un catalizador en capas, como se muestra en la Figura 6.7f. Proporcionando el espesor de la capa activa es de menos de ~ 5% de la característica pellet dimensión (por ejemplo, para un radio de pellets esféricos), el comportamiento de las distribuciones de Dirac Delta y de paso es prácticamente la same11. La ubicación del material activo necesita ser optimizado. Sin embargo, se debe enfatizar que si el catalizador está sujeto a la degradación en su rendimiento debido a los depósitos superficiales, y así sucesivamente, el delta de Dirac (y su función escalón equivalente) pueden ser sujetos a un fuerte deterioro en el rendimiento y es no necesariamente la mejor opción en esas condiciones. Más a menudo que no, las reacciones catalizadas por sólidos son múltiples reacciones. Para las reacciones en paralelo, la clave de alta selectividad es mantener la alta o baja apropiada

concentración y temperatura niveles de los reactantes en el superficie del catalizador, para fomentar la reacción deseada y para desalentar las reacciones de subproductos. Para las reacciones en serie, la clave es evitar la mezcla de fluidos de diferentes composiciones. Estos argumentos para el flujo bruto patrón de fluido a través de cualquier reactor ya han sido desarrollado. Sin embargo, antes de extrapolar los argumentos de la patrones brutos a través del reactor para reacciones homogéneas a las reacciones catalizadas-sólidos, se debe reconocer que en reacciones catalíticas la concentración y la temperatura en el interior de gránulos de catalizador puede diferir de la principal cuerpo del gas. No homogeneidad local causada por baja la concentración de reactivo o cambio en la temperatura dentro de la gránulos de catalizador da como resultado una distribución de producto diferente de lo que de otro modo sería observado por un homogénea sistema. Consideremos dos casos extremos:

(A) los controles de reacción superficial. Si reacción superficial es la tasa controlar, a continuación, las concentraciones de reactante dentro de los pellets y en la corriente principal de gas son esencialmente lo mismo. En esta situación, las consideraciones para la patrón de flujo bruto de fluido a través del reactor haría aplicar.

(B). Controles de difusión. Si los controles de resistencia a la difusión, a continuación, la concentración de reactivo en el catalizador superficie sería menor que en la corriente de gas principal. Haciendo referencia de nuevo a la ecuación 5.64, por ejemplo, rebajado concentración de reactivos favorece la reacción del menor orden. Por lo tanto, si la reacción deseada es de orden inferior, operando bajo condiciones de control de difusión haría aumentar la selectividad. Si la reacción deseada es de mayor orden, sostiene lo contrario.

Para múltiples reacciones, en los casos donde no hay catalizador desactivación, como con las reacciones individuales, el catalizador óptima distribución dentro del pellet es un delta de Dirac Function10. Esta vez la ubicación dentro de la pastilla debe ser optimizada para una máxima selectividad o rendimiento. De nuevo, enla práctica, una función escalón se aproxima al rendimiento de una función delta de Dirac, siempre y cuando es menos de ~ 5% de la dimension11 característica pellet. Sin embargo, una palabra de la precaución de nuevo hay que añadir. Como se discutirá en el siguiente capítulo, el rendimiento de los catalizadores soportados se deteriora con el tiempo para una variedad de razones. La localización óptima de la función de paso debe tener en cuenta este deterioro del rendimiento a través del tiempo. De hecho, como comentado anteriormente, si el catalizador está sujeto a degradación en su rendimiento debido a los depósitos superficiales, y así sucesivamente, el delta de Dirac (y su función escalón equivalente) pueden ser sujetos a un fuerte deterioro en el rendimiento y no es necesariamente la mejor opción cuando se considera la totalidad de la vida del catalizador. Los catalizadores heterogéneos pueden por lo tanto tener una influencia importante sobre la selectividad. Cambiar el catalizador puede cambiar la relación influencia en el primario y por reacciones de productos.

Este podrían resultar directamente de los mecanismos de reacción en los sitios activos o las tasas relativas de difusión en el apoyo material o una combinación de ambos.

3. catalizadores bioquímicos. Algunas reacciones pueden ser catalizadas por enzimas. La atracción en el uso de enzimas en lugar de microorganismos es una mejora de la velocidad enorme que puede ser obtenida en ausencia de los microorganismos. Es restringido a situaciones en las que la enzima puede ser aislado y también es estable. En adición, la reacción química no tener para atender a las necesidades especiales de las células vivas.

Sin embargo, al igual que los microorganismos, las enzimas son sensibles, y se debe tener cuidado en las condiciones en que se utilizan. Una desventaja en que utilizan enzimas es que el uso de la enzima aislada es con frecuencia más caro en una base de un solo uso que el uso de microorganismos propagados. Otra desventaja en el uso de enzimas es que las enzimas debe ser eliminado del producto una vez que la reacción se ha completado, lo que podría implicar un caro separación. Largos tiempos de reacción pueden ser necesarias si una baja concentración de enzima se usa para disminuir la enzima costo. Algunas de estas dificultades en el uso de enzimas se pueden superar mediante la fijación, o inmovilización, la enzima en algunos manera. Un número de métodos para la inmovilización de la enzima han ha desarrollado. Estos se pueden clasificar de la siguiente manera.

(A) de adsorción. La enzima puede ser adsorbido sobre un intercambio de iones resina, polímero insoluble, vidrio poroso carbón activado.

(b) covalentes. Las reacciones de los grupos secundarios o reticulación de enzimas puede ser utilizado.

(C) El atrapamiento. Las enzimas pueden ser atrapados en un gel que es permeable tanto a los piensos y productos, pero no a la enzima. Alternativamente, una membrana se puede utilizar dentro de los cuales las enzimas se han inmovilizado, y material de alimentación se hace fluir a través de la membrana por creando una diferencia de presión a través de la membrana. Hay muchas otras posibilidades. Cualquiera que sea la naturaleza de la reacción, la elección de catalizador y las condiciones de reacción puede ser crítica para el rendimiento del proceso, debido a la resultante influencia sobre la selectividad de la reacción y el coste del reactor.

Se pueden tomar Figura 6.8 diversas medidas para aumentar el equilibrio

la conversión en las reacciones reversibles. (De Smith R y Petela

EA, 1991, El ingeniero químico, Nº 509/510: 12, que se reproduce

con autorización de la Institución de Ingenieros Químicos) Se pueden tomar Figura 6.8 diversas medidas para aumentar el equilibrio

la conversión en las reacciones reversibles. (De Smith R y Petela

EA, 1991, El ingeniero químico, Nº 509/510: 12, que se reproduce

con autorización de la Institución de Ingenieros Químicos)

Se pueden tomar Figura 6.8 diversas medidas para aumentar el equilibrio la conversión en las reacciones reversibles. (De Smith R y Petela EA, 1991, El ingeniero químico, Nº 509/510: 12, que se reproduce con autorización de la Institución de Ingenieros Químicos).

6.6 reacciones bioquímicas

Las reacciones bioquímicas deben atender a los sistemas vivos y como resultado se llevan a cabo en un medio acuoso dentro de un estrecho rango de condiciones. Cada especie de microorganismo crece mejor bajo ciertas condiciones. Temperatura, pH, niveles de oxígeno, las concentraciones de reactivos y productos y posiblemente los niveles de nutrientes deben ser cuidadosamente controlados para un funcionamiento óptimo.

1. Temperatura. Los microorganismos pueden ser clasificados de acuerdo a los rangos de temperatura óptimas para su growth8:

• psicrófilos tienen una temperatura óptima de crecimiento alrededor de 15◦C y una temperatura máxima de crecimiento below20◦C.

• mesófilos crecen mejor entre 20 y 45◦C.

• Los termófilos tienen temperaturas óptimas de crecimiento entre 45 y 80◦C.

• Extremphiles crecen bajo condiciones extremas, algunos especies anteriores 100◦C, otras especies tan bajas como 0◦C.

Levaduras, mohos y algas tienen típicamente un máximo temperatura alrededor de 60◦C. 2. pH. Los requisitos de pH de microorganismos dependen de las especies. La mayoría de los microorganismos prefieren valores de pH no muy lejos de la neutralidad. Sin embargo, algunos microorganismos pueden crecer en los extremos de pH.

3. Los niveles de oxígeno. Las reacciones pueden llevarse a cabo bajo condiciones aeróbicas en los que se requiere oxígeno libre o bajo condiciones anaeróbicas en la ausencia de oxígeno libre. Las bacterias pueden operar bajo condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Levaduras, mohos y algas prefieren condiciones aeróbicas PERO PUEDEN crecer con niveles reducidos de oxígeno.

4. Concentración. La velocidad de reacción depende de la concentraciones de alimentación, elementos traza, vitaminas y tóxicos sustancias. La tasa también depende de la acumulación de desechos a partir de los microorganismos que interfieren con el microorganismo multiplicación. Llega un punto en que sus residuos inhibe el crecimiento.

CONCENTRACIÓN 6.5 REACTOR

Cuando se utiliza más de un reactivo, a menudo es deseable utilizar un exceso de uno de los reactivos. A veces también es deseable alimentar un material inerte al reactor o para separar el producto hasta la mitad a través de la reacción antes llevar a cabo una reacción adicional. A veces es deseable reciclar subproductos no deseados en el reactor. Estos casos ahora será examinado.

1. Reacciones irreversibles individuales. Un exceso de uno de alimentación componente puede forzar otro componente hacia completa conversión. Como ejemplo, consideremos la reacción entre de etileno y cloro para dicloroetano:

Un exceso de etileno se utiliza para asegurar esencialmente la conversión completa del cloro, que es de ese modo eliminado como problema para la separación aguas abajo sistema. En una sola reacción irreversible (en donde la selectividad no es un problema), la elección habitual de reactivo en exceso es eliminar el componente que es más difícil de separar en el sistema de separación de aguas abajo. Alternativamente, si uno de los componentes es más peligrosos (como es el cloro en este ejemplo), la conversión completa tiene ventajas para la seguridad.

2. Reacciones reversibles individuales. La máxima conversión en las reacciones reversibles está limitada por el equilibrio conversión, y las condiciones en el reactor suelen ser elegidos para aumentar la conversión de equilibrio:

(A) Alimentar relación. Si a un sistema en equilibrio, un exceso de una de las alimentaciones se añade, a continuación, el efecto es desplazar el equilibrio para disminuir la concentración de la alimentación. En otra es decir, un exceso de uno de alimentación se pueden utilizar para aumentar la conversión de equilibrio. Considere los siguientes ejemplos.

Ejemplo 6.6 El acetato de etilo puede ser producido por la esterificación de ácido acético con etanol en presencia de un catalizador tal como ácido sulfúrico o una resina de intercambio de iones de acuerdo con la reacción:

Los estudios de laboratorio han llevado a cabo para proporcionar datos de diseño en la conversión. Una mezcla estequiometria de 60 g de ácido acético y 45 g de etanol se hizo reaccionar y se mantiene a temperatura constante hasta se alcanza el equilibrio. Se analizaron los productos de reacción y se encontró que contenía 63,62 g de acetato de etilo.

a. Calcular la conversión de equilibrio de ácido acético.

b. Estimar el efecto de utilizar un 50% y 100% de exceso de etanol.

Asumir la mezcla líquida para ser masas ideales y el molares de ácido acético y acetato de etilo para ser 60 kg · kmol-1 y 88 kg · kmol-1, respectivamente.

Solución

a. Moles de ácido acético en mezcla de reacción = 60/60 = 1,0

Moles de acetato de etilo formaron = 63,62 / 88 = 0.723

Conversión de equilibrio de ácido acético = 0,723

b. Sea r la relación molar de etanol a ácido acético. Tabla 6.10 presenta los topos inicialmente y en el equilibrio y la topo fracción. Suponiendo una solución ideal (es decir Kγ = 1 en la ecuación 6.29):

Para la mezcla estequiométrica, r = 1 y X = 0,723 de las mediciones de laboratorio:

De la Tabla 6.15, en base seca como la relación molar H2O / CH4 aumenta, la fracción molar de CH4 disminuye y la de H2 aumenta. Las siguientes dos etapas en el proceso de llevar a cabo la conversión de desplazamiento a temperaturas más bajas en el que se utiliza la segunda reacción anterior para convertir CO a H2 a una mayor conversión. Concentración (b) inerte. A veces, un material inerte es presente en el reactor. Esto podría ser un disolvente en una fase líquida reacción o un gas inerte en una reacción en fase gaseosa. Considere la reacción

La el efecto del aumento en moles puede ser artificialmente disminuido mediante la adición de un material inerte. Le Chatelier de Principio dicta que esto aumentará el equilibrio conversión. Por ejemplo, si la reacción anterior está en el fase gas ideal:

aquí:

Ni = número de moles del componente i

NT = número total de moles

Por lo tanto:NBNC

N / A= KantP (6.60)

Por ejemplo, si la reacción anterior está en la fase de gas ideal:

El aumento de NT como resultado de la adición de material inerte se aumentar la proporción de productos a los reactivos. Adición de una inerte el material hace que el número de moles por unidad de volumen para ser disminuyó, y el equilibrio se desplazará a oponerse esta desplazando a una conversión más alta. Si el material inerte se añade, a continuación, la facilidad de separación es una importante consideración. Por ejemplo, se añade vapor de agua como un inerte para reacciones de craqueo de hidrocarburos y es un material atractivo a este respecto, ya que se separa fácilmente de la componentes de hidrocarburos por condensación. Considere la reacción:

La disminución de NT como resultado de la eliminación de material inerte se aumentar la proporción de productos a los reactivos. Extracción inerte el material hace que el número de moles por unidad de volumen para ser aumentó, y el

equilibrio se desplazará a oponerse esta desplazando a una conversión más alta. Si la reacción no implica ningún cambio en la número de moles, material inerte no tiene ningún efecto sobre el equilibrio conversión.

(c) la eliminación del producto durante la reacción. A veces el equilibriola conversión se puede aumentar mediante la eliminación del producto (o uno de los productos) continuamente del reactor como la reacción progresa, por ejemplo, por lo que le permite vaporizar de un reactor en fase líquida. Otra forma es llevar a cabo la reacción en etapas con separación intermedia de los productos. Como un ejemplo de separación intermedia, considerar la producción de ácido sulfúrico como se ilustra en

Figura 6.6. El dióxido de azufre se oxida a trióxido de azufre:

Esta reacción puede ser forzado a la conversión completa efectiva llevando primero a cabo la reacción de acercarse equilibrio. El trióxido de azufre se separa a continuación (por absorción). La eliminación de trióxido de azufre desplaza el equilibrio, y más reacción del dióxido de azufre y el oxígeno restante permite la conversión completa efectiva del dióxido de azufre,

Figura 6.6.

Separación intermedia seguido de reacción adicional es claramente más apropiada cuando la separación intermedia es sencillo, como en el caso de la producción de ácido sulfúrico.

3. Múltiples reacciones en la producción paralela de productos.

Después se elige el tipo de reactor para sistemas de reacción paralelas con el fin de maximizar la selectividad o reactor de rendimiento, las condiciones de se puede alterar aún más para mejorar la selectividad. Considere la sistema de reacción en paralelo de la ecuación 5.66. para maximizar selectividad para este sistema, la relación dada por la ecuación 5.67 se reduce al mínimo:

Para todas las reacciones secundarias reversibles, alimentar deliberadamente POR PRODUCTOS al reactor inhibe su formación en fuente desplazando el equilibrio de la reacción secundaria.

Esto se logra en la práctica mediante la separación y el reciclaje POR PRODUCTO lugar de separar y disponer de él directamente.

Un ejemplo de este reciclaje en una reacción paralela sistema está en el proceso "Oxo" para la producción de C4 alcoholes. Propileno y gas de síntesis (una mezcla de carbono monóxido e hidrógeno) están primero reaccionado a N- y isobutyraldehydes utilizando un catalizador a base de cobalto. Dos en paralelo reacciones occur7:

. Múltiples reacciones en serie que produce por productos. Para el sistema de reacción serie en la ecuación 5.68, la serie reacción es inhibida por concentraciones bajas de PRODUCTO. Se ha señalado ya que esto se puede lograr por operar con una conversión baja. Si la reacción implica más de un alimento, no es necesaria para operar con la misma baja conversión en todo los feeds. El uso de un exceso de uno de los alimentos permite operación con un relativamente alto grado de conversión de los demás piensos materiales y todavía inhibe las reacciones de la serie. Consideremos de nuevo el sistema de reacción del Ejemplo 5.3 series

FASE 6.4 REACTOR

Habiendo examinado la temperatura del reactor y la presión, la fase del reactor puede considerarse ahora. La fase reactor puede ser gas, líquido o multifase. Teniendo en cuenta la libre elección entre reacciones de gas y la fase líquida, el funcionamiento en la fase líquida Normalmente se prefiere. Considere el sistema de reacción individual:

ALIMENTAR --- → r PRODUCTO = KCA

ALIMENTACIÓN

Claramente, en la fase líquida concentraciones mucho más altas de CFEED (kmol · m-3) se puede mantener que en la fase gas.

Esto hace que las reacciones en fase líquida, en general, más rápida y por lo tanto conducen a volúmenes de reactor más pequeños para la fase líquida reactores.

Sin embargo, se debe añadir una nota de cautela. En muchos sistemas de reacción multifase, como se discutirá en el capítulo siguiente, las tasas de transferencia de masa entre las diferentes fases puede ser tan importante como, o incluso más importante que, cinética de la reacción en la determinación del volumen del reactor. Masa tasas de transferencia son generalmente más altos en fase gaseosa de fase líquida sistemas. En tales situaciones, no es tan fácil de juez si es preferible la fase gas o líquido. Muy a menudo la opción no está disponible. Por ejemplo, si temperatura del reactor está por encima de la temperatura crítica de las especies químicas, a continuación, el reactor debe estar en la fase de gas. Incluso si la temperatura se puede bajar por debajo de crítico, una extremadamente alta presión puede ser necesaria para operar en la fase líquida. La elección de la temperatura del reactor, la presión y por lo tanto fase debe, en primer lugar, tener en cuenta el deseado equilibrio y selectividad efectos. Si todavía hay libertad para elegir entre el gas y la fase líquida, la operación en él se prefiere fase líquida.

PRESIÓN 6.3 REACTOR

Ahora considere el efecto de la presión. Para las reacciones reversibles, la presión puede tener un efecto significativo en el equilibrio conversión. A pesar de la constante de equilibrio es sólo una función de la temperatura y no una función de la presión, conversión de equilibrio todavía puede ser influenciada a través el cambio de las actividades (fugacidades) de los reactivos y productos.

Es evidente que una mejora muy significativa en el equilibrio conversión para esta reacción se puede lograr a través de un aumento en la presión. De nuevo hay que señalar que el comportamiento del gas ideal ha sido asumido. La realización de los cálculos para el comportamiento del gas real utilizando una ecuación de estado e incluyendo Kφ podría cambiar los resultados significativamente, especialmente en las presiones más altas, como ahora será investigado.

Las constantes de equilibrio gas ideal se pueden corregir para el comportamiento gas real multiplicando el equilibrio de los gases ideales constante por Kφ, tal como se define por la ecuación 6.23, que para este problema es:

Los coeficientes de fugacidad ø'i se pueden calcular a partir de la Peng-Robinson ecuación de estado. Los valores de ø'i son funciones de temperatura, presión y composición, y los cálculos son complejo (ver Pohling, Prausnitz y O'Connell6 y el capítulo 4). Parámetros de interacción entre los componentes están aquí supone que ser cero. Se dan los resultados que muestran el efecto de no idealidad en la Tabla 6.9: Se puede observar en la Tabla 6.9 que a medida que aumenta la presión, no ideal comportamiento cambia la conversión de equilibrio. Tenga en cuenta que como Ka, Kφ también depende de la especificación del número de moles de la ecuación estequiométrica. Por ejemplo, si la estequiometría es escrita como

La selección de presión del reactor de fase de vapor reversible reacciones depende de si hay una disminución o un aumento en el número de moles. El valor de? ∆N en Ecuación 6.25 dicta si la conversión de equilibrio aumentará o disminuirá con el aumento de la presión. Si? ∆N es negativo, la conversión de equilibrio se incrementará con aumento de la presión. Si? ∆N es positivo, va a disminuir. La elección de la presión también debe tener en cuenta si el sistema implica múltiples reacciones. El aumento de la presión aumenta de reacciones en fase vapor la velocidad de reacción y por lo tanto disminuye el volumen del reactor tanto al disminuir el tiempo de residencia requerido para un reactor dado conversión y el aumento de la densidad de vapor. En general, presión tiene poco efecto sobre la velocidad de las reacciones en fase líquida.

1. Reacciones individuales.

(A) Disminución en el número de moles. Una disminución en el número de moles para las reacciones en fase vapor disminuye el volumen como reactivos se convierten en productos. Para un volumen de reactor fijo, esto significa una disminución de la presión como reactivos se convierten en productos. El efecto de un aumento en la presión del sistema es para causar un cambio de la composición de la mezcla gaseosa hacia uno ocupando un volumen menor. El aumento

del reactor la presión aumenta la conversión de equilibrio. Creciente la presión aumenta la velocidad de reacción y también reduce volumen del reactor. Así, si la reacción implica una disminución de la el número de moles, la presión debe colocarse lo más alto posible, teniendo en cuenta que la alta presión podría ser costoso para obtener a través de la potencia del compresor, mecánica construcción podría ser costoso y de alta presión trae problemas de seguridad.

(B) Aumento del número de moles. Un aumento en el número de moles para las reacciones en fase de vapor aumenta el volumen como reactivos se convierten en productos. El principio de Chatelier dicta que una disminución en la presión del reactor seguro equilibrio aumenta la conversión. Sin embargo, la operación a una presión baja disminuye la velocidad de reacción en la fase del vapor reacciones y aumenta el volumen del reactor. Por lo tanto, Inicialmente, cuando lejos del equilibrio, es ventajoso usar alta presión para aumentar la velocidad de reacción. Como equilibrio se acercó, la presión debe reducirse para aumentar la conversión. La presión ideal disminuir continuamente a medida que se incrementa la conversión a la deseada valor. La baja presión necesaria se puede conseguir por operativo el sistema en la reducción de la presión absoluta o mediante la introducción de un diluyente para disminuir la presión parcial. El diluyente es un material inerte (por ejemplo, vapor) y se utiliza simplemente para reducir la presión parcial en la fase de vapor. Por ejemplo, acetato de El benceno puede deshidrogenar al estireno de acuerdo con la reaction7:

Esta es una reacción endotérmica acompañado por un aumento en el número de moles. Alta conversión se ve favorecida por el alto temperatura y baja presión. La reducción de la presión es logrado en la práctica por el uso de vapor sobrecalentado como un diluyente y haciendo funcionar el reactor debajo de la atmosférica presión. El vapor de agua en este caso, cumple un doble propósito porque también proporciona calor para la reacción.

2. Múltiples reacciones productoras de productos. Los argumentos presentados para el efecto de la presión en una sola fase de vapor reacciones se pueden utilizar para la reacción primaria cuando tratar con múltiples reacciones. Una vez más, la selectividad y el reactor rendimiento es probable que sea más importante que el volumen del reactor para una conversión dada. Si hay una diferencia significativa entre el efecto de la presión sobre las reacciones primarias y secundarias, la presión debe ser elegido para reducir tanto como sea posible la velocidad de las reacciones secundarias con respecto a la primaria de reacción. La mejora de la selectividad o el rendimiento del reactor en este manera puede requerir el cambio de la presión del sistema o tal vez la introducción de un diluyente.

Para las reacciones en fase líquida, el efecto de la presión sobre el selectividad y volumen del reactor es menos pronunciada, y el la presión es probable que sea elegido para:

• evitar la vaporización de los productos;

• permitir la vaporización del líquido en el reactor de modo que pueda condensarse y se calentó a reflujo de nuevo al reactor como un medio de eliminar el calor de reacción;

• permitir la vaporización de uno de los componentes en una reacción reversible con el fin de que los aumentos de eliminación conversión máxima (que se discutirá en la sección 6.5);

• permitir la vaporización para alimentar el vapor directamente en una destilación la operación de combinar las reacciones con separación (Que se discutirá en el capítulo 13).

TEMPERATURA 6.2 REACTOR

La elección de la temperatura del reactor depende de muchos factores. Consideremos en primer lugar el efecto de la temperatura sobre el equilibrio conversión. Una relación cuantitativa puede ser desarrollado como de la siguiente

manera. Empieza por escribir la ecuación 6.6 a presión constante:

Sustituyendo la ecuación 6.31 en la ecuación 6.3 da, después de reordenación: