Diseño no isotérmico de reactores
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Balance general de energía para sistemas
reactivos.
Energía Acumulada = energía entrada−energía
salida+ energía generada−energía consumida.
Aplicando la expresión para la primera ley de la
Termodinámica, se tiene entonces:
eje, eléctrico,
compresión
o expansión
calores
de mezclado,
de reacción, y
calores
transferidos
desde o hacia
el ambiente
por
Conducción,
convección,
radiación
Móvil
E.
Estacionario
Reactivo
límite
Existen cambios de fase
Industria
Cp constante en el rango de temperaturas
Reacción sin cambio de fase
Ec. De diseño
En algunos casos Ws es despreciable, pero si se tiene un
fluido viscoso, no se puede despreciar.
Muchas reacciones industriales forma adiabática.
Reacción no isotérmica.
U es un coeficiente global de transferencia de calor.
A es el área de transferencia de calor.
f(T) función del gradiente de temperatura entre la
mezcla reactante y el fluido de transferencia.
Operación adiabática
Operación no-adiabática
•Mezcla perfecta y temperatura uniforme en todo el reactor.
•T alimento, Contenidos del reactor y los productos de salida es la
misma.
Reacción equilibrio expresión cinética. T equilibrio
Combinan con la Ec.Moles. Obtener T, X
Y perfil de concentraciones.
R. Batch
Principio de Chatelier reacción exotérmica
X A óptimo.
Constantes de velocidad Ley de Arrhenius
Derivada velocidad de reacción respecto a la temperatura
Simplifica y
se ordena
Segunda derivada para una reacción exotérmica
Segunda derivada para una reacción endotérmica
Combino las dos
ecuaciones
1. Cuando γ < 1, para las reacciones exotérmicas, XAe > XA, opt
2. A mayores conversiones, XA, opt se acerca más a XAe.
3. A conversiones bajas
4. Si, Ea,1 = Ea,2, entonces γ = 1 y en este caso XAe = XA, opt.
5. En alguna temperatura donde se tenga que Grxn = 0 y por
tanto Kc = 1,
Son importantes porque permiten determinar:
Donde se debe operar un sistema reactivo; si en el punto de equilibrio
o en el régimen óptimo, para alcanzar la máxima conversión.
Comparando, se puede observar que XA en el CSTR será siempre menor
a XAe siempre que 1/τk2 > 0.
Dependiendo del valor del término 1/ τk2 > 0, se puede tomar la desición
de llevar a cabo la reacción en equilibrio en un reactor Batch o en
condiciones de estado estacionario en un CSTR.
Calor trasferido desde o hacia el
reactor por el fluido térmico
Distribución de temperatura
media logarítmica
Serpentín, chaqueta,
flujo másico y
temperaturas del fluido
térmico
Temperatura de salida del fluido
Estimar el calor que se debe transmitir desde o hacia un CSTR
Balance de moles
Ecuaciones se deben resolver simultáneamente
Si el flujo del fluido de enfriamiento no presenta un cambio
significativo de temperatura de puede simplificar con la siguiente
ecuación:
PFTR en operación adiabática
Ecs. Del CSTR son aplicables a un PFTR, con X y T adiabáticas
Ec. Balance de moles
Para obtener la X, T y el perfil de concentración a lo largo del reactor.
Recordar que dV = Adl, y por tanto la expresión de balance
diferencial de moles se puede escribir también como
PFTR
exp
erim
en
tal c
on
tr
an
sfe
ren
cia
de
ca
lor
se asume que no existen
gradientes térmicos en la dirección
radial del tubo .
Flux de calor adicionado o retirado
se puede describir como:
a = A/V = 4/d, es el área por unidad de
volumen para la transferencia de
calor, con d del tubo y Tcf la
temperatura del fluido de
enfriamiento.
dividiendo por V y aplicando el límite cuando V → 0
Balance de moles de
la especie i
Reemplaza
Flujo en contracorriente
Para resolver problemas con flujo a contracorriente se debe resolver la X y
la T, se necesitan procedimientos iterativos, dado que se trata de un
problema con valor en una de las fronteras.
Ver el método numérico de “shooting” y relacionados.
En algunos casos el papel de la membrana es
simplemente el de proveer una barrera que
sea capaz de redistribuir los componentes.
Confinar un catalizador.
Prevenir que ciertos componentes entren en
contacto con otros.
Su uso ha resultado muy exitoso en diversos
escenarios.
Combinación de un sistema de reaccion–separacion: en un único
recipiente conlleva a una reducción significativa del costo de
capital.
Adición controlada de reactivos: Dosificar de manera controlada
un reactivo para minimizar la formación de productos indeseados.
Mantener los reactivos separados, se evitan las reacciones
secundarias.
Mantener los reactivos separados: Evitar la formación de mezclas
explosivas y la liberación no controlada de grandes cantidades de
energía debido a reacciones fuera de control.
Acoplamiento de reacciones: se pueden usar para llevar a cabo dos
reacciones diferentes en lados opuestos de la membrana.
El acoplamiento se puede lograr a diferentes niveles.
1. Acoplamiento energético: El calor generado por una reacción
exotérmica se transfiere a una endotérmica
2. Acoplamiento termodinámico: La membrana permite la
permeación de un compuesto que está involucrado en las dos
reacciones.
3. Acoplamiento cinético: La cinética de una de las reacciones se ve
mejorada por la transferencia de una especie activa formada por la
otra reacción.
Operación a altas temperaturas: Los reactores catalíticos
de membrana pueden usarse a altas temperaturas
mientras que los de membranas poliméricas operan bien
a bajas temperaturas.
Existen sin embargo algunas limitaciones operacionales.
Las altas temperaturas pueden ocasionar cambios
morfológicos de la membrana, disminuyendo su
eficiencia.
Posibilidad de controlar la distribución de poros.
Control de la dirección de los poros.
Control del tiempo de contacto.
Relaciones de Área/Volumen altas.
Contacto eficiente entre el fluido y el catalizador.
Resistencia a la transferencia de masa relativamente baja.
Ausencia de zonas muertas para el flujo.
Altas velocidad de transferencia de calor.
La permeación de oxígeno a través de la membrana se
obtiene a lo largo del reactor mediante la expresión.
Para O2 en una membrana de vidrio, se aplican lossiguientes valores:
y el flujo que ingresa por las paredes de la
membrana a la zona de reacción, está
entonces dado por
Balance de energía
término de generación de calor
término de remoción de calor
