diseño no isotérmico de reactores

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