Reactor Semicontinuo
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Reactor semicontinuo
Cuanto más tiempo trabaja el reactor a la
máxima velocidad de reacción, mayor es la
productividad. Como se observa en la figura,
el proceso semicontinuo permite operar más
tiempo en estas condiciones, a la vez que
disminuye el tiempo muerto de vaciado y
llenado, respecto al proceso discontinuo,
aproximándose por lo tanto a la productividad del proceso continuo.
La mayoría de trabajos en este modo de operación tienen por objetivo el control de
la temperatura y la optimización de la comente de alimentación, por lo cual se hará
referencia a ellos en los apartados correspondientes.
1. DEFINICIÓN : Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo
el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va retirando productos
y también incorporando más material de manera casi continua. El reactor
semicontinuo es un sistema flexible pero más difícil de analizar que los
otros dos tipos; ofrece un buen control de la velocidad de reacción, debido a
que esta transcurre a medida que se añaden los reactantes.
Este reactor tiene múltiples aplicaciones: desde su empleo para las
titulaciones calorimétricas en el laboratorio, hasta su uso en los grandes
hornos de solera plana para la obtención de aceros.
El punto de partida para el diseño es un balance de materia referido a
cualquier reactante (o producto).Por consiguiente, como se indica en la
figura (1), tenemos:
........……..(1)
Cuando la composición en el reactor es uniforme (independiente de la posición), el
balance de materia puede hacerse refiriéndolo a todo el reactor .Cuando la
composición no es uniforme, el balance de materia ha de referirse a un elemento
diferencial de volumen y después se efectuara la integración extendida a todo el
reactor para las condiciones apropiadas de flujo y concentración.
Para los diversos tipos de reactores esta ecuación se simplifica de uno u otro
modo, y la expresión resultante, una vez integrada, da la ecuación básica de
diseño para aquel tipo de unidad .Así, en el reactor discontinuo los dos primeros
términos valen cero; en el reactor de flujo estacionario el cuarto termino
desaparece; y para el reactor semicontinuo hemos de considerar los cuatro
términos.
En las operaciones no isotérmicas ha de emplearse el balance calorífico
juntamente con el de materia .Es decir como se indica en la figura (2) siguiente,
tenemos:
……….(2)
También aquí este balance puede referirse a un elemento de volumen diferencial
del reactor o a todo el reactor, según las circunstancias.
El balance de materia de la ecuación (1) y el balance de calor de la ecuación (2),
están interrelacionados por sus terceros términos, debido a que el efecto calorífico
esta originado por la propia reacción.
Figura (3): Balance energético para un elemento de volumen del reactor
2. Características:
Las características de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Son reactores tipo tanque con agitación.
b) Operan a régimen inestable
Una consideración que generalmente se toma en este tipo de reactores es la de
suponer que la mezcla está bien agitada. Con lo cual estamos considerando un
comportamiento ideal.
Algunas ventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Su operación es semicontinua.
b) Se puede tener un buen control de la temperatura.
c) La concentración de uno de los reactantes se puede mantener baja.
Algunas desventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Producción pequeña.
b) Alto costo de operación.
El reactor semicontinuo se utiliza en los siguientes casos:
a) Para reacciones homogéneas en fase liquida.
b) Para reacciones muy exotérmicas.
c) Cuando se debe tener una concentración baja de uno de los reactantes.
d) Cuando se quiere retirar productos gaseosos.
3. Tipos de reactor semicontinuo :
REACTOR SEMIBATCH: Se dispone de un reactor
semicontinuo, el cual está
cargado con un reactivo y al
cual se alimenta el otro reactivo
en continuo. Tras un periodo de
reacción se produce la
descarga.
Aunque el reactor semibatch tiene las mismas desventajas que el
batch, puede tener un buen control de temperatura y minimizar
reacciones secundarias o no deseadas mediante el agregado
controlado de reactivos en el tiempo. El reactor semibatch es muy
usado para reacciones en dos fases por ejemplo líquido – gas,
donde el líquido es la fase discontinua y el gas la continua que se
burbujea constantemente en el medio líquido. Este es el caso de
muchos fermentadores, donde se burbujea aire para proveer oxígeno
a las bacterias que se encuentran en el medio líquido. Los reactores
TAC son muy usados cuando se requiere una agitación intensa. La
mayoría de las reacciones en fase líquida y en régimen continuo se
llevan a cabo en reactores TAC.
APLICACIONES EN LA INDUSTRIA:
Producción de Bromuro de Metilo
La producción de Bromuro de Metilo es una reacción en fase líquida irreversible
que sigue a una ley de velocidad primaria .La reacción:
CNBr+CH 3NH 2→CH 3Br+NCNH 2
( A )+(B )→ (C )+(D )
Se lleva a cabo isotérmicamente en un reactor semibatch.Una solución de
metilamina (B) en presencia de etanol seco a una concentración de 0.025mol /dm3,
es alimentado a una velocidad de 0.05dm3/s a una solución de cianuro de bromo
(A) en presencia de etanol seco, contenida en un reactor de vidrio forrado .El
volumen inicial de líquido en el tanque es 5dm3, con una concentración de cianuro
de bromo de 0,05 mol / dm3. La Constante de velocidad de reacción específica es
K=2.20dm3(mol . s)
r=KCACB
Resuelva para las concentraciones de cianuro de bromo y bromuro de metilo y la
tasa de reacción como una función del tiempo.
CB0=0.025mol /dm3
V 0=0.05dm3 /s
Solución:
La reacción general se puede escribir como:
A+B→C+D
Tenemos que determinar el efecto del tiempo sobre las concentraciones de todas
las especies:
dC A
dt=−K CACB−
v0VrC A
dCBdt
=−K CACB−v0Vr
(CB0−CB)
V r=V 0 ,r+v0 t
Del mismo modo:
dCCdt
=K C ACB−v 0VrCC
dCDdt
=K C ACB−v0VrCD
Las condiciones iniciales en t=0 son: C A0=0.05mol/dm3, CB=CC=C D=0. Graficar
la concentración vs. Tiempo y tasa vs. Tiempo.
Obtención de caucho de estireno y butadieno
El caucho estireno-butadieno, frecuentemente abreviado SBR (del
inglés Styrene-Butadiene Rubber) es un elastómero sintético obtenido mediante la
polimerización de una mezcla de estireno y de butadieno. Es el caucho
sintético con mayor volumen de producción mundial. Su principal aplicación es en
la fabricación de neumáticos.
Una de las ventajas era que su producción tenía una muy buena relación costo-
utilidad. El caucho sintético fue usado para disminuir el consumo de las fuentes
naturales de caucho, especialmente en el área de la fabricación de neumáticos,
que en ese momento aún consistían de caucho sólido. Otros países comenzaron a
copiar los esfuerzos y a la década siguiente, muchas naciones desarrolladas
estaban en el negocio de la creación del SBR para ser usado en una variedad de
productos.
Propiedades:
Físicas
Temperatura de servicio: –10 °C a 70 °C.
Baja resistencia a la intemperie (oxidación, ozono, luz solar).
Excelente resistencia eléctrica.
Muy baja permeabilidad a los gases.
Químicas
Buena resistencia al agua pero pobre resistencia al vapor de agua.
No poseen resistencia a los hidrocarburos (alifáticos, aromáticos, clorados).
Baja resistencia a ácidos diluidos, menor aún en caso de mayor concentración.
Baja resistencia a los aceites (animal y vegetal).
Aplicaciones
Entre otros usos se encuentran la fabricación de cinturones, mangueras para maquinarias y
motores, juntas, y pedales de freno y embrague. En el hogar se encuentra en juguetes,
masillas, esponjas, y baldosas. Entre los usos menos esperados se encuentra la producción
de productos sanitarios, guantes quirúrgicos e incluso goma de mascar. - Cubiertas de
neumáticos de tamaño pequeño y medio - Sector calzado - Correas transportadoras y de
transmisión - Artículos moldeados – Perfiles
Ejemplo:
Estireno (S) y Butadieno (B) son copolimerizados en un reactor batch isotérmico
S+3.2B→ polymero
Son agregados inicialmente2,200Kg de Estireno y 5,000Kg de Butadieno al reactor
de 27m3 r=KCSCB y K=0.036m3Kmol−1h−1 .Asumir constante de densidad.
Calcular la concentración de (S) y (B) después de 10 horas.
dNSdt
=−KCSCBV CS0=0.78Kmol
m3
dN B
dt=−3.2K CSCBV CB0=3.4
Kmol
m3 Pero como:
VdCSdt
=dNSdt
=−K CSCBV CS0=0.78Kmol
m3
VdCBdt
=dNBdt
=−3.2K CSCBV CB0=3.4Kmol
m3
Entonces tenemos:
dCSdt
=−K CSC BV CS0=0.78Kmol
m3
dCBdt
=−3.2KCSCBV CB0=3.4Kmol
m3
Solución en POLYMATH: