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Reactores Químicos: Unidad 1 1 Unidad 1 Reactores homogéneos discontinuos El reactor químico es el corazón de cualquier proceso químico. Los procesos químicos se proyectan para obtener económicamente un producto, convierten especies químicas baratas en otras especies químicas valiosas, y los ingenieros químicos son aquellos entrenados técnicamente para entenderlos y manejarlos. Las unidades de separación son, generalmente, los componentes mayores de un proceso químico, su propósito es purificar materias primas antes que éstas entren al reactor químico y purifican los productos después de que éstos salen del reactor. Desde el reactor pueden salir reactivos no convertidos, solventes y todos los subproductos, que deben separarse del producto deseado antes de que éste sea vendido o sea usado como reactivo en otro proceso químico. Materias Primas Productos Subproductos Procesos de Separación Procesos de Separación Proceso Químico El componente clave en cualquier proceso químico es el reactor químico; si éste no produce impurezas en el producto, se generan grandes ahorros en un proceso debido a las operaciones de separación. Los costos de operación de un reactor pueden ser del 10 al 25% del total, mientras que las unidades de separación dominan el tamaño y costo de los proceso; el desempeño del reactor químico controla totalmente los costos y modos de operación de las costosas unidades de separación, y por consiguiente de la economía global de muchos procesos. La economía de un proceso químico se ve reflejado por la combinación de diversas áreas, como se puede ver en el siguiente esquema, Reactor Químico Termodinámica Flujo de Fluidos Matemáticas Cinética Materiales Transferencia de masa Transferencia de calor Proceso Químico Diseño Análisis Económico $ Control de Procesos

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Reactores Químicos: Unidad 1

1

Unidad 1

Reactores homogéneos discontinuos

El reactor químico es el corazón de cualquier proceso químico. Los procesos químicos se proyectan

para obtener económicamente un producto, convierten especies químicas baratas en otras especies

químicas valiosas, y los ingenieros químicos son aquellos entrenados técnicamente para entenderlos

y manejarlos. Las unidades de separación son, generalmente, los componentes mayores de un

proceso químico, su propósito es purificar materias primas antes que éstas entren al reactor químico

y purifican los productos después de que éstos salen del reactor. Desde el reactor pueden salir

reactivos no convertidos, solventes y todos los subproductos, que deben separarse del producto

deseado antes de que éste sea vendido o sea usado como reactivo en otro proceso químico.

MateriasPrimas

ProductosSubproductos

Procesos deSeparación

Procesos deSeparación

ProcesoQuímico

El componente clave en cualquier proceso químico es el reactor químico; si éste no produce

impurezas en el producto, se generan grandes ahorros en un proceso debido a las operaciones de

separación. Los costos de operación de un reactor pueden ser del 10 al 25% del total, mientras que

las unidades de separación dominan el tamaño y costo de los proceso; el desempeño del reactor

químico controla totalmente los costos y modos de operación de las costosas unidades de

separación, y por consiguiente de la economía global de muchos procesos.

La economía de un proceso químico se ve reflejado por la combinación de diversas áreas, como se

puede ver en el siguiente esquema,

ReactorQuímico

TermodinámicaFlujo deFluidos

Matemáticas

Cinética

MaterialesTransferencia

de masaTransferencia

de calor

ProcesoQuímico

DiseñoAnálisis

Económico

$

Control deProcesos

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Reactores Químicos: Unidad 1

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El diseño de reactores químicos y la cinética química constituyen la base de la producción de casi

todos los productos químicos industriales. El conocimiento de la cinética química y el diseño de

reactores son, principalmente, los elementos que hacen la diferencia entre los ingenieros químicos y

otros tipos de ingenieros. La selección de un sistema de reacción que opere de la forma más segura

y eficiente puede ser la clave para el éxito o fracaso económico de una planta química.

La etapa de reacción es la más significativa del proceso, siendo el diseño del reactor una operación

muy importante, ya que para un mismo proceso se pueden proponer diferentes diseños. El diseño

óptimo no se basa solamente en menor el costo del equipo; puede hacerse un diseño con un costo

bajo del reactor, pero la corriente de salida del reactor puede requerir un tratamiento cuyo costo sea

más elevado que empleando otros diseños. El diseño más adecuado debe considerar la economía

global del proceso, cumpliendo con los aspectos técnicos y operativos del proceso.

El diseño de reactores químicos es la parte de la ingeniería específica del ingeniero químico, y tal

vez esta actividad justifica la existencia de la ingeniería química como una rama distinta de la

ingeniería.

En el diseño del reactor se deben responder dos preguntas:

1. Que cambios se espera que ocurran?

2. Con que rapidez tendrán lugar dichos cambios?

La primera pregunta concierne a la termodinámica y la segunda a los diferentes procesos de

velocidad (cinética química, transferencia de calor, etc.)

Termodinámica

La termodinámica suministra dos fuentes importantes de información necesarias para el diseño: el

calor de reacción y la extensión máxima posible de la reacción.

La termodinámica permite también el cálculo de la constante K de equilibrio químico a partir de la

energía libre de Gibbs (G0) de las sustancias reaccionantes.

Para el objetivo de producir un producto específico a una velocidad de producción dada a partir de

reactivos conocidos se debe considerar lo siguiente:

a) El tipo de reactor a ser usado, esto es batch (por lotes), CSTR, PFR, de lecho fijo, etc.

b) El modo de operación, esto es si la reacción se lleva a cabo como un proceso batch o como

un proceso de flujo continuo o semibatch?

c) El reactor operará isotérmicamente, adiabáticamente o de manera intermedia?

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Reactores Químicos: Unidad 1

3

d) Cuál es la condición física de los reactivos a la entrada al reactor?, se debe considerar

presión, temperatura y composición de los reactivos

El diseño del reactor proporciona la siguiente información:

a) El tamaño del reactor, su configuración general y las dimensiones de los elementos internos

b) La composición exacta y la condición física de los productos del reactor

c) Las condiciones operacionales de presión y temperatura, del reactor

Clasificación de los reactores

Los reactores químicos pueden dividirse de diversas formas, una de ellas es la relacionada con las

fases presentes. Con respecto a esto se tienen dos grandes categorías: homogéneos y heterogéneos.

En los reactores homogéneos está presente sólo una fase, líquido o gas. Cuando se tiene más de un

reactivo, deben mezclarse para forma un sistema homogéneo.

En los reactores heterogéneos dos, o quizá tres fases están presentes. En algunos casos, donde una

de las fases es sólida, ésta suele ser el catalizador.

Otra clasificación de los reactores químicos está relacionada con el modo de operación – batch o

continuo o semicontinuo.

El reactor batch es un recipiente al cual se le introduce el conjunto de reactivos, se suspende el

suministro de reactivos, y se permite que se lleve a cabo la reacción, después de lo cual se

descargan los productos; si es necesario, se hace limpieza al reactor y se procede nuevamente a

cargar el reactor con los reactivos y se repite el ciclo repetidamente. El reactor batch se emplea, ya

sea (1) cuando la producción es poca y/o (2) cuando la velocidad de reacción es muy pequeña, es

decir, la rapidez de generación de productos es lenta. Las propiedades como concentración,

temperatura y presión son función exclusivamente del tiempo de reacción.

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Reactores Químicos: Unidad 1

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Del tipo de reactores continuos se tienen los reactores tubulares o reactores continuos tipo tanque,

acondicionados con agitador.

Un reactor tubular de flujo consta de un tubo cuyo propósito es pasar los reactivos a lo largo del

tubo, entrando los reactivos al inicio del tubo y obteniendo los reactivos al final de éste; existe muy

poco intermezclado en el tubo. Este tipo de reactores se emplean cuando se requiere una gran

producción y/o cuando se tienen velocidades de reacción altas. Para reacciones en fase gaseosa es

muy adecuado emplear este tipo de reactores aun cuando la producción sea baja. Las propiedades

como concentración, temperatura y presión son función exclusivamente de la posición a lo largo del

reactor.

Un reactor continuo tipo tanque agitado (CSTR por sus siglas en inglés Continuos Stirred Tank

Reactor) consta de un tanque acondicionado con un agitador que dispersa completamente los

reactivos una vez que éstos entran al tanque. Los productos salen del reactor continuamente y, en el

estado ideal de mezclado perfecto, esta corriente tendrá las mismas características que el contenido

del tanque. Este tipo de reactores se emplean cuando se tienen velocidades de reacción altas. Para

reacciones en fase líquida es muy adecuado emplear este tipo de reactores. Algunas veces se

emplean varios tanques agitados conectados en serie.

En el reactor semibatch se tiene que, por ejemplo, el reactor se carga con uno de los reactivos

mientras que otro reactivo se adiciona continuamente durante el periodo de tiempo de la reacción.

Esta operación se presenta, principalmente, cuando se tratan sistemas con reactivos líquido y

gaseoso. También se usa en sistemas donde la reacción es demasiado violenta si los reactivos se

mezclan súbitamente y la velocidad de adición continua del reactivo estará regulada por la

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Reactores Químicos: Unidad 1

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velocidad de transferencia de calor. Esta operación también es ventajosa cuando se existe el riesgo

de tener reacciones múltiples; con la adición lenta de uno de los reactivos se propicia una

concentración baja de éstos, disminuyendo dicho riesgo.

Influencia del calor de reacción sobre el tipo de reactor

Asociado con cada cambio químico hay un calor de reacción, el cual en muy pocos casos puede ser

tan pequeño que puede ser despreciado. En los casos de reacciones exotérmicas o endotérmicas, es

necesario tomar en cuenta el efecto del calor de reacción. Con reacciones altamente exotérmicas,

habrá un sustancial incremento de temperatura a menos que se remueva dicho calor. Si se desea

operar un reactor a temperatura constante, es necesario manejar, remover o adicionar, el calor de

reacción. Si no hay transferencia de calor (operación adiabática) habrá un cambio en la temperatura

del reactor con el proceso de reacción, se produce un cambio en la energía interna de la mezcla

reactiva. Por simplicidad del diseño se prefiere operación adiabática.

Si la operación es no adiabática, se pueden tener diferentes configuraciones, en los reactores, para la

remoción o adición del calor. Para reactores tipo batch, o tipo CSTR, se pueden emplear chaqueta

(a), serpentines (b) o intercambiador de calor externo (c).

Para reactores tubulares, se pueden emplear configuraciones como tubo enchaquetado (a), reactor

multitubular (b) o tubería tipo horno (c).

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Reactores Químicos: Unidad 1

6

Así mismo, se puede buscar integración de energía ya que en ocasiones los reactivos entran al

reactor a temperatura diferente a la temperatura de reacción con lo que pueden emplear

intercambiadores de calor, internos o externos, para adecuar los reactivos a las condiciones de

reacción,

Ejercicios sobre calor de reacción y sobre extensión de la reacción

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Reactores Químicos: Unidad 1

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Cinética química y velocidad de reacción

La velocidad de reacción es la rapidez con que los reactivos se convierten a productos.

Considerar la siguiente reacción,

νA A + νB B → νC C + νD D

La velocidad de reacción de un componente i se define como,

reacciónpor

i

idt

dN

Vr

1

(1.1)

( ) ( )tiempodeunidadvolumendeunidad

reacciónporgeneradosidemolesri =

Así,

dt

dN

Vro

dt

dN

Vr

dt

dN

Vro

dt

dN

Vr

B

B

B

B

A

A

A

A

11

11

Pero también

A

A

B

Brr

Y de manera similar

A

A

D

DA

A

C

Crryrr

Para evitar ambigüedad es necesario especificar respecto a cuál componente se expresa la velocidad

de reacción.

La velocidad de reacción depende de la composición, la temperatura y la presión,

ri = f (composición, presión, temperatura)

Como la presión y la temperatura son interdependientes, P = f (T), entonces la velocidad de

reacción se expresa como,

ri = f (composición, temperatura)

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Reactores Químicos: Unidad 1

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Reacciones elementales y no elementales

En las reacciones elementales las colisiones moleculares de los reactivos, son proporcionales a la

velocidad de reacción, con lo que la velocidad de reacción se expresa de acuerdo a la presentación

estequiométrica de la reacción. Así, por ejemplo, para la reacción

BAA

k

BAA

k

CCkrCBA

CCkrRBA

2=2⇒+2

=⇒+

Donde k es el coeficiente cinético

A las reacciones cuya ecuación cinética corresponde a una ecuación estequiométrica se les

denomina reacciones elementales.

Cuando no hay correspondencia entre la ecuación estequiométrica y la cinética, las reacciones se

denominan no elementales. Por ejemplo,

BrHBrH 2⇒+ 22

La ecuación cinética es,

22

2/1

221

/ BrHBrk

BrHkr

HBr

Para la reacción elemental

TDBk

3⇒2+2

TT

T

B

B

DD

D

B

B

TDB

rrr

rrr

rrr

3

1

2

1

3

1

2

1

Orden de reacción

El orden global de la reacción se obtiene sumando los coeficientes de las concentraciones de los

componentes expresados en la velocidad de reacción. Sin embargo, también se puede indicar el

orden de reacción respecto a cada una de las especies implicadas. Así, para la expresión de la

velocidad de reacción,

- rA = k CB CD2

El orden global de la reacción es de 3, mientras que el orden de reacción respecto a B es 1 y el

orden de reacción respecto a D es 2.

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Reactores Químicos: Unidad 1

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Coeficiente cinético

Las unidades del coeficiente cinético, incluido en la expresión de la velocidad de reacción dependen

del orden global de reacción, de forma tal que las unidades de la velocidad de reacción deben ser,

( ) ( )tiempodeunidadvolumendeunidad

moles

Para una reacción de primer orden

tiempo

kCkrAA

1⇒

Para una reacción de segundo orden

tiempomoles

volumenkkr CAA

*⇒

2

Para una reacción de tercer orden

tiempomoles

volumenkkr CAA

*⇒

2

23

y así sucesivamente . . . . . .

El coeficiente cinético puede ser un valor constante, sin embargo, este coeficiente puede ser

influenciado por la temperatura y el modelo más general puede ser representado por medio de la

ecuación de Arrhenius, con lo que,

TREeAk / (1.2)

Donde:

A es el factor de frecuencia, E es la energía de activación, T es la temperatura absoluta y R es la

constante universal de los gases.

Equilibrio químico en reacciones elementales

Una reacción química puede alcanzar el equilibrio químico por dos causas: (1) porque en una

reacción irreversible ya no sea posible convertir más reactivo en productos, por las condiciones

operacionales y/o por que se haya agotado el reactivo limitante, y (2) porque en una reacción

reversible, la velocidad de formación de productos, a partir de reactivos se iguale con la velocidad

de restitución de reactivos, a partir de productos.

(1) Considerar la siguiente reacción elemental irreversible

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Reactores Químicos: Unidad 1

10

SRBAk

+⇒+1

En el equilibrio,

BA

SR

CC

CCK =

(2) Considerar la siguiente reacción elemental reversible

SRBAk

k+⇔+

1

2

Si se expresan las velocidades de reacción respecto a R se tiene,

SRinvR

BAdirR

CCkr

CCkr

2

1

En el equilibrio rR dir = rR inv, por lo que,

KCC

CC

k

kCCkCCk

BA

SR

SRBA ==⇒=2

1

21

Donde K es la constante de equilibrio químico.

Conversión o grado de conversión (X)

La conversión (X) indica el grado de avance de una reacción. Así, la conversión de la especie i (Xi)

es el número de moles de i que reaccionan por mol de i alimentado al sistema de reacción,

reaccióndesistemaalentranqueidemoles

reaccionanqueidemolesX i =

Para reacciones irreversibles

0 ≤ Xi ≤ 1.0

Para reacciones reversibles, la máxima conversión es la conversión de equilibrio,

Xmax = Xe

Para definir la conversión es conveniente elegir uno de los reactivos como base de cálculo y se

relacionan las demás especies presentes con esta base. Por lo general se elige al reactivo limitante

como la base de cálculo.

Para una reacción cualquiera, por ejemplo,

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Reactores Químicos: Unidad 1

11

DdCcBbAa +⇒+

Una vez que se selecciona la base de cálculo, la relación de las otras especies se hace dividiendo los

coeficientes estequiométricos de las otras especies entre el coeficiente estequiométrico de la base de

cálculo. Considerando al componente A como la base de cálculo,

Da

dC

a

cB

a

bA +⇒+

Ecuaciones para concentraciones en reactores discontinuos

Tomando como base la representación estequiométrica anterior, las concentraciones de las especies

químicas son:

V

XadN

V

XNadN

V

NC

V

XacN

V

XNacN

V

NC

V

XabN

V

XNabN

V

NC

V

XN

V

NC

DAADD

D

CAACC

C

BAABB

B

AA

A

//

//

//

1

000

000

000

0

Con

0

0

0

0

0

0===

A

D

DA

C

CA

B

B N

N

N

N

N

N

Ejercicios

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Reactores Químicos: Unidad 1

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Análisis molar y térmico de reactores

Cálculo de reactores homogéneos isotérmicos

Ecuación general de balance molar

Considerar el siguiente sistema,

El balance molar general del sistema es,

FFdt

dN

0 (1.3)

Donde N es el número de moles y F es el flujo molar

El balance molar para el componente j en cualquier instante es,

jjj

jGFF

dt

dN

0 (1.4)

Donde Gj es la velocidad de generación de j por reacción química dentro del sistema,

volumenvolumentiempo

moles

tiempo

molesVrG

jj*

* (1.5)

V es el volumen del reactor

Si la velocidad de generación (o consumo) de la especie j para la reacción varía con la posición

dentro del volumen del sistema, es decir para los diferentes M subsistemas (sub volúmenes) que

conforman el volumen del sistema,

dVrG

VrGG

j

V

j

i

M

i

ji

M

i

jij

0

11

∑ (1.6)

Con rj como función de la posición.

Sustituyendo

V

jjj

j

jjj

j

dVrFFdt

dN

GFFdt

dN

00

0

(1.7)

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Reactores Químicos: Unidad 1

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Si la mezcla de la reacción está perfectamente mezclada, lo que implica que no hay variación de la

velocidad de reacción en el volumen del reactor, entonces,

VrdVrj

V

j0 (1.8)

Esto es, para un reactor dado, el balance molar queda como,

VrFFdt

dNjjj

j

0 (1.9)

Ecuación general del balance de energía

Considerando el mismo sistema, el balance de energía queda como,

sistemaelporhechosistemaaladicionadosalida

n

ientrada

n

i

sistema WQHiFiHiFidt

dE ..

11

(1.10)

Analizando cada uno de los términos se tiene,

dt

dEsistema :

^

1

^

,

^

,

^

1

^

ii

n

i

iipici

n

i

iisistemaUNUEENENE

(1.11)

Pero Hi = Ui + PVi, por lo que

VPHNVNPHNVPHNEi

n

i

ii

n

i

ii

n

i

i

n

i

iiisistema

^

1

^

1

^

11

^^

(1.12)

En forma diferencial,

td

VPd

td

HNd

td

Ed i

n

i

i

sistema

^

1 (1.13)

Si las variaciones de (PV) son despreciables,

0td

VPd

td

NdH

td

HdN

td

HNd

td

Edi

n

i

i

i

n

i

i

i

n

i

i

sistema

11

^

1 (1.14)

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Reactores Químicos: Unidad 1

14

Resolviendo,

td

NdH

td

TdCpN

td

Edi

n

i

i

i

i

n

i

i

sistema

11

(1.15)

Tomando como reactivo base a la especie A, se tiene

VrFFtd

Ed

td

NdAiiio

sistemai (1.16)

Con lo que,

VrHHFHFtd

NdH

A

n

i

ii

n

i

ii

n

i

iio

i

n

i

i

1111

(1.17)

Pero,

Rnxii

n

i

HH

1

(1.18)

Sustituyendo,

..

11111

s

n

i

ii

n

i

ii

n

i

ioio

n

i

iioARxn

i

i

n

i

iWQHFHFHFHFVrH

td

TdCpN

(1.19)

Con lo que se obtiene,

i

n

i

i

n

i

sARxniioio

CpN

WQVrHHHF

td

Td

1

1

..

(1.20)

Esta expresión representa el balance de energía para un reactor.

Para reacciones en fase líquida, donde la variación de Cp no es significativa, se puede tener,

0

0

0

1

0

11

;A

i

isAi

n

i

iAi

n

i

ioi

n

i

iN

NCpNCpNCpNCpN

(1.21)

Donde Cps es la capacidad calorífica de la solución

Además,

sA

n

i

iioiio

n

i

iioioCpFTTCpFHHF

0

11

(1.22)

Con lo que el balance de energía para un reactor en fase líquida queda como,

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Reactores Químicos: Unidad 1

15

sA

sARxnisA

CpN

WQVrHTTCpF

td

Td

0

..

00

(1.23)

Modelamiento de un Reactor Batch (Por lotes)

Conociendo que la operación de un reactor batch no considera ni entrada de reactivos ni salida de

productos, de la ecuación general de balance molar se tiene,

0=dt

dN (1.24)

De la ecuación de balance molar para el componente j se tiene,

V

jj

jdVrG

dt

dN

0 (1.25)

Si la mezcla de la reacción está perfectamente mezclada, lo que implica que no hay variación de la

velocidad de reacción en el volumen del reactor, entonces,

Vrdt

dNj

j= (1.26)

Separando variables y resolviendo con los límites de que a t = 0, Nj = Nj0, se tiene,

j

j

j

j

C

Cj

jN

Nj

j

r

dC

Vr

dNt

00

(1.27)

Esta es la forma integral del balance molar de un reactor discontinuo.

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Reactores Químicos: Unidad 1

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Ecuación de diseño para reactores discontinuos (Batch)

En un reactor discontinuo, el grado de conversión es función directa del tiempo de reacción X = f(t);

la reacción termina ya sea porque se alcance el equilibrio o por que la reacción se complete.

Tomando como base al componente j, si Nj0 es el número de moles iniciales del componente j en el

reactor, entonces el número de moles que reaccionan después de transcurrido el tiempo t es Nj0 Xj.

El número de moles (Nj) que quedan en el reactor se calcula como,

jjjjjj

XNXNNN 1000

(1.28)

En términos de reacción, lo que interesa determinar en un reactor discontinuo es el tiempo necesario

para alcanzar cierta conversión Xj. Partiendo del balance molar y considerando que j es un reactivo,

Vrdt

XdN

Vrdt

XdN

dt

XdN

dt

XNd

dt

dN

j

j

j

j

j

j

jjjjj

0

0

0011

(1.29)

Esta es la forma diferencial de la ecuación de diseño para un reactor discontinuo.

Para un reactor discontinuo de volumen constante V, se tiene,

j

jjj

j

jr

dt

Cd

dt

VNd

dt

Nd

VVr

dt

dN

/1

j

jr

dt

Cd= (1.30)

Resolviendo la ecuación de diseño para obtener el tiempo necesario para alcanzar cierta conversión

Xj, considerando que a t = 0, Xj = 0, se tiene resolviendo,

jX

j

j

jVr

dXNt

00 (1.31)

Esta es la forma integral de la ecuación de diseño en función de la conversión para un reactor batch.

Reactores discontinuos con volumen variable

Para el caso de reactores discontinuos en los cuales cambie el volumen, como el caso de la mayoría

de las reacciones en fase gaseosa. Considerando, para caso explicativo, la siguiente reacción,

DdCcBbAa +⇒+

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Reactores Químicos: Unidad 1

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Da

dC

a

cB

a

bA +⇒+

El número total de moles (NT) en cualquier instante, y tomando como base de cálculo al

componente A, se puede expresar como,

AATT XNNN 00 += (1.32)

Con

onreaccionarqueAdeMoles

molesdetotalnúmeroelenCambio

a

b

a

d

a

c 1

Dividiendo le ec. (1.16) entre el número total de moles iniciales,

AAAA

T

A

T

T XXyXN

N

N

N

0

0

0

0

11 (1.33)

Donde yA0 es la fracción molar de A presente inicialmente,

0

0

0*1A

T

A yN

N

a

b

a

d

a

c

(1.34)

De la ec. (1.17)

XN

NN

T

TT

0

0 (1.35)

A conversión total, esto es a X = 1, NT = NTf,

entadosatotalesMoles

totalconversiónparamolesdetotalnúmeroenCambio

N

NN

T

TTf

lim0

0

(1.36)

Considerando que para la fase gaseosa se puede emplear la siguiente ecuación de estado,

TRNZVP T= (1.37)

Relacionando las condiciones en cualquier instante t con respecto a las condiciones iniciales,

000

0

0

T

T

N

N

Z

Z

T

T

P

PVV (1.38)

Sustituyendo la ec. (1.19) en la ec. (1.22) y tomando en cuenta que para el factor de compresibilidad

Z = Z0, se tiene,

XT

T

P

PVV

1

0

0

0 (1.39)

Page 18: Reactores Químicos: Unidad 1...Reactores Químicos: Unidad 1 4 Del tipo de reactores continuos se tienen los reactores tubulares o reactores continuos tipo tanque, acondicionados

Reactores Químicos: Unidad 1

18

Esta ecuación se aplica a un reactor discontinuo de volumen variable. Sin embargo, si el reactor es

un recipiente de acero rígido, V = V0

Para el caso de reactores discontinuos con cambio de volumen, debido al efecto de reacciones en

fase gaseosa, la forma integral de la ecuación de diseño en función de la conversión para un reactor

batch se presenta como,

jj X

jjj

j

j

X

jjj

j

jXr

dXC

XVr

dXNt

0000

011

(1.40)

Operación No isotérmica, No adiabática de un Reactor Batch (Por lotes)

Partiendo de la ec. (1.20), se tiene

i

n

i

i

n

i

sARxniioio

CpN

WQVrHHHF

td

Td

1

1

..

(1.20)

En un reactor batch NO se tienen ni alimentaciones ni salida de productos, con lo que,

i

n

i

i

sARxn

CpN

WQVrH

td

Td

1

..

(1.41)

En término de la conversión de la especie base, p.e. A, esto es XA = X, se tiene,

XNNiiAi

0

(1.42)

XCCpN

WQVrH

td

Td

pi

n

i

iA

sARxn

1

0

..

(1.43)

Operación No isotérmica, Adiabática de un Reactor Batch (Por lotes)

Partiendo de la ec. (1.39), se tiene

i

n

i

i

sARxn

CpN

WQVrH

td

Td

1

..

(1.39)

Page 19: Reactores Químicos: Unidad 1...Reactores Químicos: Unidad 1 4 Del tipo de reactores continuos se tienen los reactores tubulares o reactores continuos tipo tanque, acondicionados

Reactores Químicos: Unidad 1

19

Por ser operación adiabática, no se tienen interacciones de calor con los alrededores, por lo que,

i

n

i

i

sARxn

CpN

WVrH

td

Td

1

.

(1.44)

Si además el trabajo realizado por el agitador es despreciable (.

0s

W ), se tiene,

i

n

i

i

ARxn

CpN

VrH

td

Td

1

(1.45)

Las ecs. (1.41, 1.43, 1.44 o 1.45) se acoplan con la ecuación del balance molar (ec. 1.29), tomando

como especie base a la especie A,

Vrdt

XdN

AA

0 (1.46)

Para una operación No isotérmica, adiabática, con trabajo del agitador despreciable (ec. 1.45) en

términos de la conversión de la especie A, se tiene

td

TdXCCpN

td

TdXCCpNVrH

psApi

n

i

iAARxn

0

1

0 (1.47)

Ya que si

n

i

iCpCp

1

Combinando esta expresión con la ec. 1.46, se tiene,

td

TdXCCp

td

XdTTCH

td

XdH

pi

n

i

irefpRxnRxn

1

0 (1.48)

Cuya solución representa la relación que hay entre la conversión (X) de la especie base y la

temperatura (T) dentro del reactor.

Ejercicios