Reactores CSTR

universidad michoacana de san nicolas de hidalgo

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

Practica N° 3: Reactores CSTR

Laboratorista: Ma. Teresa Reyes Reyes

Arturo Romo RamosMatricula: 0618097C

Modulo: 4°Sección: 0129/04/2013

29 de abril de 2013


Reactores CSTRObjetivo

Demostración práctica del comportamiento de reactores CSTR y comparación con la teoría.

Introducción

El reactor de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de mate reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida no sea demasiada viscosa.

El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior del tanque se produzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reacción, y que no existan o queden espacios muertos.

Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perfecta, si el tiempo de circulación de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor. En el reactor continuamente agitado, ocurre la reacción exotérmica A B. Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara (camisa de refrigeración) a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de estudio, se han hecho las siguientes suposiciones:

Las pérdidas de calor circundantes son despreciablesLas propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficasMezcla (agitación) perfecta en el reactor, por tanto la concentración, presióny temperatura son iguales en cualquier punto del tanqueTemperaturas Uniformes en ambas cámaras (camisa de enfriamiento y/o calentamiento)Volúmenes Constantes V, Vc

1

29 de abril de 2013


En reactores de tanque agitado con corrientes continuas a régimen permanente en los flujos de alimentación y de productos, la alimentación adopta inmediatamente una composición final uniforme a lo largo del reactor, debido a la perfección del mezclado. De este modo, la corriente de salida tendrá la misma composición que la que existe en el interior del reactor.

Cuando varios reactores se conectan en serie, la concentración de la mezcla reaccionante en cada reactor es uniforme, pero cambia de un reactor a otro. Es decir, los reactores son conectados en serie de tal modo que la salida de corriente de un reactor es la corriente de alimentación para otro reactor. A medida que se incrementa el número de reactores tanque agitado, el comportamiento del sistema de reactores de mezcla perfecta se aproxima al del reactor de flujo en pistón.

Debe mantenerse una agitación adecuada en cada reactor para lograr una uniformidad de concentración. De manera, si, se considera el sistema como un todo, existe un gradiente de concentración escalonado.

En el caso, de un reactor de múltiples etapas en sentido horizontal, este está dividido por tabiques verticales de diferentes alturas, por encima de los cuales rebosa la mezcla reaccionante. Cuando los reactantes son parcialmente miscibles y sus densidades lo suficientemente distintas, se trabaja con un reactor vertical, el cual conduce la operación en contracorriente, efecto de suma importancia en las reacciones reversibles.

2

29 de abril de 2013


La siguiente imagen muestra el posible arreglo que pueden tomar los reactores cstr en serie:

Uno de los principales defectos del reactor tipo tanque agitado es precisamente el tiempo grande de residencia. Efecto que se analiza en el siguiente caso:

Reacción de primer orden irreversible.

Cuya ecuación cinética en términos de la concentración y conversión respectivamente, está dada por:

Donde el tiempo de residencia está dado por:

3

29 de abril de 2013


Reemplazando resulta:

(1)

Dónde:

: Conversión del producto

K : Constante cinética

Si la reacción se conduce en un reactor discontinuo en las mismas condiciones se tendrá la siguiente ecuación.

Integrando está ecuación

Resulta:

(2)

t es el tiempo requerido para alcanzar la misma conversión que en un reactor continuo.

Relacionando las ecuaciones (1) y (2) el tiempo de residencia en el tanque agitado es siempre superior al tiempo de residencia de un reactor discontinuo.

En la figura 4.1.1.A se muestra la gráfica de la razón :

4

29 de abril de 2013


De manera que en la curva n =1 se ve que esta razón se eleva muy rápidamente cuando la reacción se aproxima a su finalización. Las otras curvas en la figura 4.1.1.A son para reacciones irreversibles de orden n.

Otra forma de demostrar que el tiempo de residencia necesario en el tanque agitado es siempre superior al tiempo de residencia en un reactor discontinuo a la misma temperatura es comparar las dos fórmulas

(4.1.1-1 )

5

29 de abril de 2013


(4.1.1-2)

Dónde:

: Conversión del producto

: Conversión de la alimentación

Si, se grafica frente a la conversión , a T constante, se obtendrá una curva como la mostrada en la figura 4.1.1.B. Esto debido a que

es siempre negativa, de modo que si r disminuye aumenta.

Para , ; donde es la conversión en el equilibrio,

por tanto la curva tiene una asíntota vertical en este punto.

6

29 de abril de 2013


La ecuación 4.1.1-1 muestra que el tiempo de reacción para el reactor

discontinuo es el área bajo la curva comprendida entre las dos

ordenadas y la parte positiva del eje de las abscisas (ABGCD) . El tiempo de residencia en el tanque agitado t es el área del rectángulo AECD de

base y de altura .

Es claro que t siempre es mayor que ya que la relación no tiene límite

cuando . Sin embargo, se puede evitar este inconveniente,

obteniendo la conversión deseada en varias etapas en el mismo.

Por ejemplo, se desea alcanzar la conversión xA,f para un sistema de dos etapas. Como se puede observar en el gráfico anterior, el tiempo de residencia para una sola etapa es el área del rectángulo AECD para lograr la misma conversión. Suponiendo que en el primer reactor la conversión aumenta

de hasta y en el segundo reactor de , de manera que el tiempo de residencia del primer reactor es el área AFGH y del segundo reactor HJCD. A partir del gráfico anterior se puede observar que el tiempo total de residencia en los tanques es inferior al de un solo tanque y que la diferencia de áreas es igual a FEJG. La razón de este hecho es que el primer tanque trabaja en condiciones para las que la velocidad de reacción es máxima. Por tanto, si se utiliza un número n de tanques agitados se tendría el mismo número n de rectángulos con sus vértices superiores derechos sobre la curva. Entonces, cuanto mayor sea el número de etapas, menor será el tiempo total de residencia.

Material y Reactivos

1 espectrofotómetro UV-Visible4 celdas para espectrofotómetro4 matraces aforados de 100 ml2 bombas1 matraz kitasato de 500 ml3 agitadores magnéticos3 parrillas con agitación1 termómetro

7

29 de abril de 2013


3 cronómetros3 vasos de precipitados de 600 ml2 matraces kitasato de 250 ml1 probeta de 250 ml1 probeta de 10 mlMangueras de conexiónSolución de Violeta Cristal 2 x 10-5 MSolución de NaOH 0.0200 M

8

29 de abril de 2013


Procedimiento

a) Para el “CSTR”: montar el aparato que se muestra en la figura del manual utilizando un kitasato de 500 ml. Medir los gastos de la bomba para cada corriente utilizando agua destilada. Los gastos deben de ser de 5 ml/min (aprox.) tanto para violeta cristal como para sosa.Las mangueras de las bombas deben llegar al fondo del kitasato el cual debe estar perfectamente agitado, y la manguera de salida debe de drenar a un recipiente. Se pone en marcha el sistema tomando el tiempo. Cuando empiece a drenar la manguera de salida marcar el nivel al cual llega el líquido dentro del matraz. Con esta medida se determinara el volumen real del reactor. Se toman muestras de la corriente de salida del rector cada 3 minutos. Hacer lecturas de transmitancia en el espectrofotómetro a 590 nm. Tomar lecturas hasta que se estabilice. Tomar la temperatura de la reacción.

b) Reactores “CSTR” en serie (VR2 + VR2’): para el “CSTR” en serie se monta el aparato de la figura del manual con las recomendaciones del aparato anterior. Se tomaran muestras cada 3 minutos a la salida de cada reactor hasta que se estabilicen. Determinar el volumen de cada reactor y la temperatura de reacción.

Cálculos y Resultados

Reportar los datos experimentales y elaborar una curva de calibración del violeta cristal.

Curva de calibraciónConcentración abs

0.000035 2.6920.0000175 1.503

0.00000875 0.7940.000004375 0.37

2.1875E-06 0.1611.09375E-06 0.0795.46875E-07 0.0141.36719E-07 0.007

9

29 de abril de 2013


0 0.00001 0.00002 0.00003 0.000040

0.5

1

1.5

2

2.5

3

f(x) = 79311.6619421342 xR² = 0.996904215483296

concentración vs abs

Valores YLinear (Valores Y)

Datos del Reactor 1

Vreal: 525 ml

min seg t (seg) abs concentración

ln conc 1/conc % ZA

2 34 154 1.046 1.31884E-05 -11.2361714

75824.0918

34.0578979

6 12 372 0.887 1.11837E-05 -11.401055 89416.009 44.0816018

9 21 561 0.616 7.76679E-06 -11.765653 128753.247

61.1660278

12 43 763 0.563 7.09855E-06 -11.8556204

140873.89 64.5072625

16 40 1000 0.52 6.55638E-06 -11.9350712

152523.077

67.2180754

23 5 1385 0.473 5.96379E-06 -12.0298046

167678.647

70.1810571

26 30 1590 0.398 5.01816E-06 -12.202448 199276.382

74.9092193

30 2 1802 0.311 3.92122E-06 -12.4491071

255022.508

80.3938874

33 9 1989 0.267 3.36645E-06 -12.6016513

297048.689

83.1677426

36 19 2179 0.237 2.9882E-06 -12.7208399

334649.789

85.0590075

40 21 2421 0.2 2.52169E-06 - 396560 87.391567

10

29 de abril de 2013


12.8905826 543 53 2633 0.183 2.30734E-06 -

12.9794138433398.90

788.463284

248 17 2897 0.162 2.04257E-06 -

13.1013037489580.24

789.787169

751 27 3087 0.155 1.95431E-06 -

13.1454749511690.32

390.228464

854 38 3278 0.15 1.89126E-06 -

13.1782647528746.66

790.543675

6

0 500 1000150020002500300035000

20

40

60

80

100f(x) = 0.0159036273353574 x + 46.3930885159924R² = 0.865229273458933

% ZA

% ZALinear (% ZA)

tiempo

convers

ión Z

a

Como CB0>>CA0 podemos suponer que CB0=CB en cualquier tiempo por lo que podemos obtener la representación con los datos obtenidos de una cinética de primer orden, aunque este es un pseudo-orden.

11

29 de abril de 2013


-13.5

-13

-12.5

-12

-11.5

-11

-10.5

-10

f(x) = − 0.000626012113374565 x − 11.2764439530002R² = 0.977104269482093

ln conc

ln concLinear (ln conc)

tiempo

Ln [

conc}

α = 1

κ = 0.0006

−(rA )=κCAα=0.0006∗C A

12

29 de abril de 2013


Datos para el Reactor 2

Vreal: 270 ml


ln conc 1/conc % ZA

3 12 192 0.475 5.98901E-06 -12.0255852

166972.632

70.0549728

6 16 376 0.421 5.30815E-06 -12.1462672

188389.549

73.4592495

9 57 597 0.365 4.60208E-06 -12.2890026

217293.151

76.9896107

12 35 755 0.316 3.98426E-06 -12.4331578

250987.342

80.0786766

14 52 892 0.289 3.64384E-06 -12.5224733

274435.986

81.780815

22 31 1351 0.265 3.34123E-06 -12.6091702

299290.566

83.2938269

25 45 1545 0.257 3.24037E-06 -12.6398239

308607.004

83.7981642

28 49 1729 0.244 3.07646E-06 -12.6917318

325049.18 84.6177123

31 15 1875 0.241 3.03863E-06 -12.7041031

329095.436

84.8068388

33 40 2020 0.227 2.86211E-06 -12.76395 349392.07 85.6894291

36 50 2210 0.203 2.55951E-06 -12.875694 390699.507

87.202441

40 0 2400 0.183 2.30734E-06 -12.9794138

433398.907

88.4632842

43 10 2590 0.181 2.28213E-06 -12.990403 438187.845

88.5893686

46 58 2818 0.179 2.25691E-06 -13.0015142

443083.799

88.7154529

51 30 3090 0.163 2.05517E-06 -13.0951498

486576.687

89.7241275

54 1 3241 0.16 2.01735E-06 -13.1137262

495700 89.913254

13

29 de abril de 2013


0 500 1000150020002500300035000

20

40

60

80

100

f(x) = 0.00569333850107356 x + 73.7237450674549R² = 0.886115127713736

% ZA

% ZALinear (% ZA)

tiempo

convers

ión Z

a


-13.2-13

-12.8-12.6-12.4-12.2

-12-11.8-11.6-11.4

f(x) = − 0.000334768664788662 x − 12.1009021632931R² = 0.958845072940663

ln conc


tiempo

Ln [

conc]

α = 1

κ = 0.0003

−(rA )=κCAα=0.0003∗C A

Datos para el Reactor 3

14

29 de abril de 2013


Vreal: 270 ml


ln conc 1/conc % ZA

5 20 320 0.278 3.50514E-06 -12.5612789

285294.964

82.4742788

8 45 525 0.253 3.18993E-06 -12.6555105

313486.166

84.0503329

12 20 740 0.238 3.00081E-06 -12.7166293

333243.697

84.9959653

15 20 920 0.228 2.87472E-06 -12.7595544

347859.649

85.6263869

19 10 1150 0.22 2.77386E-06 -12.7952725

360509.091

86.1307242

22 20 1340 0.219 2.76125E-06 -12.7998283

362155.251

86.1937664

25 30 1530 0.216 2.72342E-06 -12.8136216

367185.185

86.3828929

28 30 1710 0.212 2.67299E-06 -12.8323137

374113.208

86.6350615

31 45 1905 0.204 2.57212E-06 -12.87078 388784.314

87.1393988

35 5 2105 0.203 2.55951E-06 -12.875694 390699.507

87.202441

38 45 2325 0.201 2.53429E-06 -12.8855951

394587.065

87.3285253

43 20 2600 0.2 2.52169E-06 -12.8905826

396560 87.3915675

46 20 2780 0.193 2.43343E-06 -12.9262098

410943.005

87.8328626

49 5 2945 0.185 2.33256E-06 -12.9685442

428713.514

88.3371999

52 25 3145 0.176 2.21908E-06 -13.018416 450636.364

88.9045794

55 30 3330 0.17 2.14343E-06 -13.0531016

466541.176

89.2828324

15

29 de abril de 2013


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 350078

80

82

84

86

88

90

f(x) = 0.00174067747187689 x + 83.4240699041871R² = 0.905800360339958

% ZA

% ZALinear (% ZA)

tiempo

convers

ión Z

a


-13.1

-13

-12.9

-12.8

-12.7

-12.6

-12.5

-12.4

-12.3

f(x) = − 0.000128627877230634 x − 12.6028207297802R² = 0.932160954639262

ln conc


tiempo

Ln [

conc]

α = 1

κ = 0.0001

−(rA )=κCAα=0.0001∗CA

16

29 de abril de 2013


A partir de la ecuación θ=V R

Q=CAE−CASrAS

en función de la conversión de violeta

cristal, determinar la conversión a la salida de cada uno de los reactores, para cada uno de los sistemas considerados, cuando ya se haya estabilizado el reactor:

Método analítico:Para el reactor 1:C AS=C A0(1−Z AS)

CBS=CB 0−Z ASCA 0

V RQ

=CA 0−C A0(1−Z AS)

K2CA 0 (1−Z AS )(CB 0−Z ASCA 0)=

C A0−C A0+Z ASC A0

K2C A0 (1−Z AS )(CB0−Z ASCA 0)

V RQ

=Z AS

K2 (1−ZAS ) (CB0−Z ASC A0)

V RK 2 (1−Z AS ) (CB0−Z ASC A0 )=Z ASQ

V RK 2CB0−(V RK2 ) (C A0+CB0+Q )Z AS+C A0V RK2Z AS2 =0

C A0=0.00002M

CB0=0.02M

V R=0.525 L

K2=0.0006

Q=0.001L/min

0.525 (0.0006 ) (0.02 )−0.525 (0.0006 ) (0.00002+0.02+0.001 ) ZAS+0.00002 (0.525 ) (0.0006 )Z AS2 =0

0.0000063-6.6213*10-06ZAS+6.3*10-09ZAS2 =0

Resolviendo la ecuación anterior:

X1=0.95233 Bien

X2=1050.04 X

17

29 de abril de 2013


Suponiendo un pseudo orden:

CB0≫C A0

Debido a que: r AC A=k CA 0(1−Z AS)

:. CB>CB0

θ=V R

Q=CA 0−C AS

rA=V R

QT=C A0−CA 0(1−Z AS)KC A0 (1−Z AS )

=CA 0−C A0+ZASC A0

KC A0 (1−Z AS )

V RQT

=Z AS

K (1−Z AS )❑⇒

V RK (1−Z AS )=Z ASQT

ZAS=V RK

V RK+QT=

(0.525 )(0.0006)[ (0.525 ) (0.0006 )+0.001]

=0.239543

Para el reactor 2:

V R=0.27 L

C A0=0.00002M

CB0=0.02M

K2=0.0003

Q=0.001L/min

θ=V R

Q=CAE−CASrAS

18

29 de abril de 2013


θ=V R

QT=

CA 0−CA 0(1−Z AS)

K2[C ¿¿ A0 (1−Z AS )(CB0−Z ASC A 0)]=C A0−CA 0+Z ASCA 0

K2[C¿¿ A 0 (1−Z AS ) (CB0−Z ASC A0)]¿¿

θ=V R

Q=

Z ASK2 (1−Z AS )(CB 0−Z ASC A0)


0.27 (0.0003 ) (0.02 )−0.27 (0.0003 ) (0.00002+0.02+0.001 )ZAS+0.00002 (0.27 ) (0.0003 )Z AS2 =0

0.00000162-1.70262E-06ZAS+1.62E-09ZAS2 =0

Resolviendo la ecuación:

ZAS1=¿1050.04 X¿

ZAS2=¿ 0.9523377 ¿

Para el reactor 3:

V R=0.27 L

C A0=0.00002M

CB0=0.02M

K2=0.0001

Q=0.001L/min

θ=V R

Q=

Z ASK2 (1−Z AS )(CB 0−Z ASC A0)


0.27 (0.0001 ) (0.02 )−0.27 (0.0001 ) (0.00002+0.02+0.001 )Z AS+0.00002 (0.27 ) (0.0001 )Z AS2 =0

5.4*10-7-5.6754*10-7ZAS+5.4*10-10ZAS2 =0

19

29 de abril de 2013


Resolviendo la ecuación:ZAS1=¿1051 ¿

ZAS2=¿ 0.9601¿

Calcular la conversión para dos reactores en paralelo tipo CSTR con

condiciones iguales a las utilizadas en la práctica (V R2 ,V R2' ,C A0 yQ ¿.

V R2=V R2' =0.27 L

C A0=0.00002M

K=0.0003

Q=0.001L/min

C A0QZ ASV

=kCA 02 (1−Z AS)

2

QZ ASV

=k CA 0(1−Z AS)2=kC A0(Z AS

2 −2 ZAS+1)

k C A0Z AS2 −(2k CA 0+QV )Z AS+k CA 0=0

(0.0003 ) (0.00002 )Z AS2 −(2 (0.0003 ) (0.00002 )+ 0.001

0.27 )Z AS+(0.0003 ) (0.00002 )=0

6∗10−9ZAS2 −3.7037∗10−3Z AS+6∗10

−9=0

Resolviendo la ecuación nos queda:

ZAS=¿ 1.62∗10−6¿

Hacer un estudio comparativo de los valores de conversión tanto calculado analíticamente como los obtenidos a partir de los datos experimentales, para:a) Un reactor CSTR de volumen VR2 VR2=0.27L

20

29 de abril de 2013


C A0QZ ASV

=kCA 02 (1−Z AS)

2

QZ ASV


2 −2 ZAS+1)


Sustituyendo:

(0.0003 ) (0.00002 )Z AS2 −(2 (0.0003 ) (0.00002 )+ 0.001

0.27 )Z AS+(0.0003 ) (0.00002 )=0

6∗10−9ZAS2 −3.7037∗10−3Z AS+6∗10

−9=0

Resolviendo la ecuación nos queda:

ZAS=¿ 1.62∗10−6¿

b) Un reactor CSTR de volumen VR1 VR1= 0.525L K2=0.0006

Q=0.001L/min

C A0QZ ASV

=kCA 02 (1−Z AS)

2

QZ ASV


2 −2 ZAS+1)

21

29 de abril de 2013



Sustituyendo:

(0.0006 ) (0.00002 ) ZAS2 −(2 (0.0006 ) (0.00002 )+ 0.001

0.525 )Z AS+ (0.0006 ) (0.00002 )=0

1.2∗10−8Z AS2 −1.9047∗10−3Z AS+1.2∗10

−8=0

Resolviendo la ecuación:ZAS=¿ 6.3∗10−6¿

22

29 de abril de 2013


c) Dos reactores CSTR en serie VR2+VR2’

0.003832Z AS22 −0.3107Z AS2

❑ +0.007822=0

Resolviendo la ecuación:ZAS=¿ 0.0261¿

23

29 de abril de 2013


Conclusión

Los resultados mostrados en la realización de esta práctica muestran la ventaja de trabajar con reactores CSTR en serie ya que se puede lograr una mayor conversión de los reactivos. Aunque estos datos presentan desviaciones de lo ideal esto se puede deber a las variaciones del flujo cuando pasaba de un reactor a otro ya que estos solo se conectaban con una manguera y se llevaba a cabo por acción de la gravedad.

Bibliografía

http://www.umss.edu.bo/epubs/etexts/downloads/35/IMAGENES/texto_estudiante/tema%204/index.htm

http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Enero_2011/BENITES_SARAVIA_FIEE/INFORME.PDF

24






Reactores CSTR

Documents

Transcript of Reactores CSTR