Chemical Ingenieering

7/24/2019 Chemical Ingenieering

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Reactores Qumicos

Silvana Revol lar


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Agenda

Introduccin Tipos de reactores Equipos industriales Bases del diseo de reactores qumicos

Cintica qumica, ecuacin de velocidad Estequiometra Balance molar al reactor

Ecuaciones de diseo de reactores ideales Obtencin de ecuaciones de diseo generales


3/21

Introduccin

Mnimo consumo

de energa

Regulacionesambientales

W

7

B

F

Wr

Diseo de procesos:

Necesidad deobtener un producto

Mximo beneficio econmico


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Diseo de procesos

W

7

B

F

Wr

Minimizar los costos deinversin y operacin

Diseo delsistema de control

Punto de trabajo

ptimo

Restriccionessobre la operacin

Introduccin


5/21

Procedimiento tradicional de diseo

Introduccin

Etapas del procedimiento de diseo:

1. Sntesis estructural

2. Diseo de los equipos y clculo del punto deoperacin

Criterios

econmicos

Mnimos costos de

inversin yoperacinNo se toman en cuenta las condicionesdinmicas de la planta ni las perturbaciones alas que est sometida ya quetradicionalmente se usan modelosestacionarios.


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Procedimiento tradicional de diseo

Introduccin

Se obtiene un diseo econmicamente ptimo:

3. Diseo del sistema de control

Criterios

econmicos

Mnimos costos de

inversin yoperacin

Garantizar la operacin eficiente de laplanta alrededor del punto de operacinptimo.

Reducir el efecto de las perturbaciones queafectan al proceso


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Etapas de un proceso

Etapas de tratamientos fsicos.

Se prepara la materia prima para que alcancen las condicionesadecuadas antes de la reaccin

Etapas de procesos qumicos.

Etapas de procesos fsicos.

Se acta sobre el producto para obtener la pureza deseada yseparar subproductos

Introduccin


8/21

Planta de tratamiento de aguas (EDAR)

Introduccin


9/21

Esquema de una EDAR

Introduccin


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Proceso de Tennessee Eastman

Introduccin


11/21

Produccin de bioetanol

Introduccin


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. Dependiendo de la manera como el biorreactor es alimentado puede ser: Batch o discontinuo. Se carga la materia prima, se establecen las condiciones depresin y temperatura adecuadas, se deja que transcurra la reaccin y se descargan

los productoshttps://www.youtube.com/watch?v=4xtxZYLIc-w

Fedbatch (Reactor por lotes alimentado). En algunos procesos industriales, talescomo la produccin de levaduras para panadera y antibiticos, el reactor puede

operarse de manera semicontinua, con una corriente de entrada de alimentacinpero sin una corriente de salida; este tipo de operacin permite que la concentracinde sustrato se pueda mantener en algn valor predeterminado

Continuo. El volumen del reactor es constante, por lo que el flujo msico de entradaes igual al de la salida. Permite actuar sobre el proceso y provee la dinmica msrica. Normalmente trabajan en estado estacionario.

https://www.youtube.com/watch?v=sSjn7doP550 SBR. Es una combinacin de los distintos modos de operacin.

Tipos de reactores


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Dependiendo de la manera como el biorreactor es alimentado puedeser:

Batch

Fedbatch

Continuo (Chemostat)

SBR

Tipos de reactores


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Batch o discontinuo. Se carga la materia prima, se establecen lascondiciones de presin y temperatura adecuadas, se deja que transcurra lareaccin y se descargan los productos. Es de mezcla completa y laoperacin es no-estacionaria. Se consideran parmetros concentrados

Tanque agitado continuo (TAC o CSTR). El medio es homogneo y encada elemento de volumen la concentracin ser la misma que en todo el

sistema. Es de mezcla completa y la operacin es estacionaria. Seconsideran parmetros concentrados

Fujo Pistn o Plug Flow. Reactores donde el flujo no es homogneo entodo el volumen. Se consideran parmetros distribuidos. Se observa unperfil que vara a lo largo del reactor.

Tipos de reactores ideales


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Prof. Silvana Revollar

Modelos de sistemas

( )

( ) ( )1

1o

dh t

A q t q tdt =

Entradas:

Caudal qo

Salidas (Estados):

Nivel: h1(t)

Parmetros fsicos: rea, densidad

Suposiciones:

Densidad constante, flujo laminar a la salida

( )( ) ( )1 1o

dh tA q t q t

dt=

Modelo en ecuaciones diferenciales (Balance de masa):

En edo. estacionario

( )( ) ( )1 1o

dh tA q t q t

dt= 10 oq q=


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Prof. Silvana Revollar

Sistemas con intercambio de calor

( )( )( ) ( ) ( )( )1o

j c j

dTc t KFc( t )Tc Tc t Tc t T t

dt V Cp V =

( )( )( ) ( ) ( )( )1o

dT t KFT T t Tc t T t

dt V Cp V = +

( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )

dT tV Cp Cp Fo t To t Cp F t T t Q t

dt =

Balance de energa: Q=calor

Balance de masa:

( )( ) ( )

dV tFo t F t

dt =

Balance de energa:

En estado estacionario:

0 Cp Fo To Cp F T Q =

En estado estacionario: 0 Fo F =

Y en edo. estacionario?


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Reactor tanque agitado continuo

( ) 0o Ao A Am

F z z k z V M

=

Fo es Flujo molar (mol/h)

z fraccin molar

,AAo A A

Acumulacin Entra sale desaparece aparece

dNF F r V A reacciona pero no se produce

dt

= +

=

( )

( ) ( )3

/

/ , /

A Ao

A A A

m

m

F z F mol h

N C V z VM

densidad mezcla g m M masa molar gr mol

=

= =

A

A A

A A

m

A B

Nr k C k

V

r k zM

= =

=

( )A o Ao A Am m

dzV F z z k z V

M dt M

=

En edo. estacionarioPara una conversin x de A

Despejando:( )o Ao A

A

m

F z zV

k z

M

=

( )1

o Ao

Ao

m

F z xV

k z xM

=


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Reactor tanque agitado continuo

Fo es Flujo volumtrico(L/h)

,Ao Ao o A A

Acumulacin Entra sale desaparece aparece

dCV F C F C r V A reacciona pero no se produce

dt

= +

=

A A

A Br k C

=

En edo. estacionario

Para una conversin x de A

Despejando:( )o Ao A

Am

F z zV

k zM

=

( )1

o Ao

Ao

m

F z xV

k z xM

=

0,o Ao o A AF C F C k C V A reacciona pero no se produce =

Comparando cuando el flujo es molar

( )1o Ao

Ao

F C xV

k C x

= =

( )o Ao A

A

F C CV

k C

= =

Para una conversin x de A


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Sistema de reactores en serie

( )1 1 1o m oF Mdz z z k zdt V

=

Balances de masa y energa

1er reactor

2do reactor T1=T2

3er reactor( )1 1 11

. ..

o m

o

m

F MdT k z hr QCp T T

dt V Cp V CpM Cp

=

( )2 1 2 2o m

F Mdzz z k z

dt V

=

( )2 2 21. . .

o m

o

F MdT k z hr QCp T T

dt V Cp M Cp V Cp

=

( )3 2 3 3o m

dz F M z z k z

dt V

=

( )3 3 31. .

o m

o

m

dT F M k z hr QCp T T

dt V Cp M Cp V Cp

=


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( )1 1 0o m

Ao A A

F Mz z k z

V

=

Balances de masa y energa1er reactor V1=V2=V

2do reactor---T1=T2

( ) 1 11 0. ..

o m Ao

m

F M k z hr QT TV V CpM Cp

=

( )1 2 2 0o m

A A A

F Mz z k z

V

=

2 2 0. . .

A

m

k z hr Q

M Cp V Cp

=

( )1oF xV

k x

=

1 reactor

( ) 11 1. ..

o m A

o

m

F M k z hr T T V Cp Q

V M Cp

=

2 reactores

( )1 11

oF xV

k x

=

1

2. .

.

A

m

k z hr V Cp Q

M Cp

=


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Tarea, para el viernes 27/111. Con un reactor. Resolver el problema para distintas conversiones x, entre 0.7

y 0.99, observar los costos de operacin y concluya. T=140F. Haga tresvariaciones de x.

2. Con un reactor. Para una conversin fija x=0.9, realice tres variaciones en la

temperatura de operacin y comente las diferencias observadas.3. Compare los costos de operacin, cuando T=140F y cuando T= 120F y se

utilizan uno o dos reactores. Concluya y seleccione la mejor temperatura deoperacin.

4. Compare las condiciones en 3) con el diseo de uno o dos reactores con

F=50mol/h

1er reactor V1=V2=V2do reactor---T1=T2

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