REACTORES EN SERIE

Alexandra Guevara Toro

Alejandra Armero Mutis

Andrea Cardona Rúales

Corporación Universitaria Autónoma del CaucaIngeniería Ambiental y Sanitaria

Procesos Unitarios

¿QUE ES UN REACTOR?Es el equipo capaz de desarrollar una reacción química en su interior.  En su interior ocurre un cambio debido a la reacción química y están diseñados para maximizar la conversión y selectividad de la reacción con el menor costo, tiempo, y mayor eficiencia posibles.

FUNCIONES PRINCIPALES DE LOS REACTORES

Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.

Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES

VARIABLES CLAVES Tiempo de retención

Volumen

Temperatura

Presión

Concentración de las especies química

TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS

EN REACTORES

HOMOGÉNEAS

HETEROGENEAS

ENZIMATICAS

CATALITICAS

NO CATALITICAS

AUTOCATALITICAS

EXOTERMICA

ENDOTERMICAS

TIPOS DE REACTORES

Reactor BATCH Reactor PFR Reactor CSTR

USO DE REACTORES EN SERIE

SIMULACIÓN FLUJO IDEAL

IGUAL TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA

REACTORES MAS ANCHOS QUE LARGOS

ESTUDIO 1PROCESO DE SIMULACIÓN

MEDIANTE EL SOFTWARE COMSOL, DE TRES REACTORES DE AGITACIÓN

CONTINUA (CSTR) EN SERIE, PARA LA REACCIÓN DE SAPONIFICACIÓN DEL ACETATO DE ETILO CON HIDRÓXIDO

DE SODIO (NAOH), PARA OBTENER ACETATO DE SODIO

(CH3COONA) Y ETANOL (C2H5OH).Laboratorio de operaciones del programa de Ingeniería Química de la Universidad de Cartagena.

Productos deseados (PD) Productos indeseados (PI)

Textil

Acetato de Sodio Cosmética

Pinturas

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

OBJETIVO Estudiar la reacción de saponificación del acetato de etilo en tres reactores CSTR en serie a escala de laboratorio para su posterior simulación con el software COMSOL Multiphysics.

SAPONIFICACIONLa saponificación del acetato de etilo es una reacción de hidrólisis catalizada por base. Esta reacción general para ésteres, se refiere a la separación del mismo en un alcohol y el conjugado básico del éster en mención. El mecanismo de la reacción de saponificación entre el acetato de etilo y el hidróxido de sodio, para producir acetato de sodio y etanol, es el siguiente:

Figura1. Mecanismo de reacción entre el acetato de etilo y el hidróxido de sodio.

ECUACIONES QUE DESCRIBEN EL SISTEMA CSTR EN SERIE

Volumen un CSTR en un sistema de “n” reactores en serie:

Balance molar:

Flujo de salida del reactivo limite

SOFTWARE COMSOLEs un software que utiliza el método de análisis para el modelado y simulación de problemas científicos y de ingeniería basados en ecuaciones diferenciales de derivadas parciales, especificando su física, problemas, y luego la visualización de los resultados.

Se realizó la saponificación del acetato de etilo (EtOAc) con hidróxido de sodio (NaOH), para producir acetato de sodio (NaAc) y etanol. Luego se realizaron los experimentos dejando fijas la temperatura de alimentación (TA).

Figura 2. Variables que intervienen en el proceso

METODOLOGÍA

DISEÑO EXPERIMENTAL

FACTORES VARIADOS

Se realizaron ocho simulaciones en total, para determinar las condiciones que arrojaran la mejor conversión y un menor tiempo de estabilización de la reacción.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL EQUIPO

Se midió la conductividad de la solución a la salida del tercer reactor cada cinco segundos, hasta que se observó que la conductividad permanecía constante; además, se midió el tiempo desde el inicio de la reacción hasta su estabilización.

ETAPAS PARA LA SIMULACIÓN EN COMSOL

1. Selección del modelo2. Geometría

3. Añadir física: reacciones químicas4. Selección de estudio: dependencia del tiempo

ANALISIS- Se obtuvo mayor conversión de las reacciones en los reactores en serie CSTR debido a que la corriente de fluye de un reactor a otro, disminuyendo la concentración de aquellas productos indeseados que mas adelante tienen que recibir un tratamiento, el cual ocasionaría perdidas económicas, productos de menor calidad y perdida de producción.- La función de colocarse estos reactores en serie nos permite que las moléculas que no han podido reaccionar en el primer reactor debido a que se presenta flujo continuo, pueda reaccionar en alguno de los siguientes reactores.- El sofware Comsol brinda la facilidad de identificar que fallas se pueden estar presentando y como mejorar la reacción química dentro de los reactores CSTR, siendo las mejores condiciones para este caso:

V= 10 lt/h; Co, ACOEt = 70 mol /m³; Co, NAOH = 1 mol/m³Con 83% de eficiencia

ESTUDIO 2

DESARROLLO DE PROCESOS FOTOQUIMICOS Y BIOLOGICOS

ACOPLADOS COMO UNA ALTERNATIVA NATURAL PARA EL

TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS O NATURALES

Seminario internacional sobre métodos naturales para el tratamiento de aguas residuales

Esquema Conceptual de acoplamiento entre las tecnologías de Fotocatálisis (solar) y de

tratamiento biológico

RESULTADOS Y DISCUSION

Estrategia general para el acople de reactores fotoquímicos y biológicos. La estrategia comprende los siguientes puntos:

Caracterización del agua contaminada.

Selección y optimización del proceso fotoquímico mas adaptado.

Selección y optimización del proceso biológico mas apropiado.

Desarrollo, optimización y aplicación del sistema acoplado fotoquímico-biológico.

Esquema del reactor acoplado fotoquímico-biológico a la escala de laboratorio construido en la EPFL.

Degradación de un herbicida (isoproturon)

Esquema del reactor acoplado fotoquímico (solar)-biológico a la escala piloto construido en la EPFL.

Degradación de un colorante (AMBI)

CONCLUSIONLos resultados corroboran la eficiencia de los procesos fotoquímicos para destruir los contaminantes químicos no biodegradables, aumentando la calidad del agua.

Los experimentos de campo bajo luz solar directa demostraron que el tratamiento solar es efectivo para la purificación del agua contaminada con un colorante industrial (AMBI) y que la completa mineralización de aguas no-biodegradables con un sistema acoplado a escala piloto es posible.

ESTUDIO 3

ANÁLISIS TEÓRICO Y EXPERIMENTAL DE CSTR

EN SERIE EN COMPARACIÓN CON PFR.

Figura 2: Curvas de trazadores para una, dos, tres, cuatro, cinco y seis CSTR en serie. Cada serie de CSTR tiene el mismo volumen total y la misma masa total de trazador añadido.

Figura 7: 6 CSTR en serie: Q (caudal), 1-6 (concentración de trazador en CSTR de 1 a 6), V (volumen de cada CSTR). En este ideal tanque 6 CSTR, todos los reactores tienen el mismo volumen V.

Figura 8: Las curvas de modelado trazadores de CSTR en serie en las mismas condiciones de nuestros experimentos (velocidad de flujo, volumen CSTR).