Reactores CSTR - PFR INTEGRANTES: •
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GUERRERO MATEO GLORIA ISABEL RODRÍGUEZ CASTILLO IVÁN SICCHA LÁZARO CARMEN DIANA
REACTOR CONTINUO TIPO TANQU ANQUE E AGITADO AGITADO (CSTR (CSTR)) Trabajan en estado estacionario (sus propiedades no varían con el tiempo). Este modelo ideal supone que la reacción alcanza la máxima conversión en el instante en que la alimentación entra al tanque. Es decir: ◦ En cualquier punto de este equipo las concentraciones son iguales
a las de la corriente de salida. ◦ La velocidad de reacción para cualquier punto dentro del tanque es la misma ◦ Para este reactor suele asumirse que existe un mezclado perfecto, en la práctica esto no es así, pero puede crearse un mezclado de alta eficiencia que se aproxim aproximaa a las condiciones ideales.
REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO Descripción: Consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material (material producido).
o
El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior interior del tanque se produzc produzcaa una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reacción, reacción, y que no exist existan an o queden espacios espacios muertos
o
REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO Características: 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 despreciables ◦ Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas de
los reactantes y los productos son ambos iguales y constante
REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO Características: •
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Mezcla (agitación) perfecta en el reactor, por tanto la concentración,, presión y temperatura son iguales en concentración cualquier punto del tanque Temperaturas Uniformes en ambas cámaras (camisa de enfriamiento y/o calentamiento) Volúmenes Constantes Consta ntes V, Vc Vc
El balance de conservación de la cantidad de materia para el componente A es:
=
+
+
La expresión de cada término es la siguiente:
, = + +
Donde la velocidad de acumulación en estado estacionario es igual a:
= 0
Por lo tanto la expresión se reduce a:
, = + 0 +
Si V,0 = V , se tiene: = + = Dado que:
− =
Es la tasa de reacción o velocidad de reacción.
CONDICIONES: •
[ ] y/o T° no constantes en el tiempo (régimen no estacionario).
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Volúmenes de producción moderados.
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Procesos de carga/descarga y acondicionamiento.
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Los términos de entrada y salida no existe existen. n.
VENTAJAS: •
Alta conversión por unidad de volumen.
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Moderados costes de instalación y puesta en marcha.
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Flexibilidad de operación.
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Acondicionamiento en vacío.
DESVENTAJAS: •
Altos costes de operación.
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Variación en la calidad de los productos obtenidos.
Ca m po s d e a plicació Cam plicación n d e los re rea a cto re ress CSTR Los campos de aplicación típicos de los reactores CSTR son: Los procesos continuos de sulfonacion, nitración, polimerización, polimerización, etc.
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La industria química orgánica y, en particular, en la producción de plásticos, explosivos, hule sintético, etc.
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Mantener las burbujas de gas o las partículas sólidas en suspensión dentro dentro de una fase liquida o para mantener las gotitas de un liquido en el seno de otro, como es el caso de la nitración de benceno o tolueno. La rapidez de estas reacciones depende considerablemente del grado de dispersión y, por lo tanto, de la intensidad de la agitación.
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Problema 1: En un reactor de mezcla completa completa y en condiciones estacionarias ocurre la siguiente reacción en fase liquida: A con: K₁ = 7.5(lt/mol).min
+ B ↔ R + S
K₁ = 1.0(lt/mol).min
Al reactor ingresa dos corrientes de alimentación con caudales iguales, uno de ellos contiene 3 mol de A por litro y la otra 2 mol de B por litro; litro ; se desea se desea alcanzar una conversión del 80% del 80% del reactivo limitante. ¿calcule el caudal de cada corriente para un volumen del reactor de 100lt 100lt suponiendo que la densidad se mantiene constante?
BALANCE ESTEQUIOMETRICO
A B R
Sea el reactivo limitante B: t
=0
C Ao
t
>0
C Bo X A
t = t
C A
S
C Bo C Bo X A
C B
C Bo X A
C R
C Bo X A
C S
Deducimos: C B C Bo 1 X B C R C S C Bo X B
Donde: A
C Ao C Bo
1.5
C A C Ao C Bo X B C Bo A X B
Ecuación cinética Sea la reacción:
A B R S
Para componente B:
r B1 k 1C AC B
(reactivo limitante)
r B 2 k 2C R C S - r B k 1C AC B k 2C S C R
(1)
En términos de conversión(1)
Sabemos(estequiometria) : C B C Bo 1 X B C R C S C Bo X B C A C Ao C Bo X B C Bo A X B Re emplazandoenlaecuacion1
r B
C A k 1C AC B k 2C R C S t
2 K 1 A X B 1 X B K 2 X B2 r B C Bo 2 k 1 A A X B X B X B2 K 2 X B2 r B C Bo 2 k 1 A k 1 A X B k 1 X B k 1 X B2 K 2 X B2 r B C Bo 2 k 1 K 2 X B2 A k 1 1 X B k 1 A r B C Bo
Re emplazando valores :
r B 2 2 7.5 1.0 X B2 1.57.5 1 X B 7.5 *1.5 r B 46.5 X B2 18.75 X B 11.25
Ecuación de diseño para un Reactor CSTR: CSTR: V F
V C B
X
r B
X
r B
V r B X BC B
Re emplazando:
100 * 4 * 6.50.8 18.750.8 11.25 2
0.8 * 2
Operando :
102.5
Dato Da to : Sabemos:
Bo
Ao
Ent E ntonc onces es : 2 * Bo 102 10 2.5 Bo
51.25
lit li t min
Problema 2: La descomposición térmica de la fosfina ocurre isotérmicamente en un rector de flujo sin caída de presión: 2PH₃ →P₂ + 3H₂ La constante a 300ºK: K=30lt/mol.min K=30lt/mol.min y la energía de activación: Eₐ=6.85Kj/mol 6.85Kj/mol.. La fosfina ingresa al reactor a 10atm 10atm y y 600ºK 600ºK con con una velocidad de flujo molar de 2705mol/min 2705mol/min.. ¿Calcule el volumen del reactor para lograr una conversión del 80% en un reactor CSTR CSTR.? .?
1) BALANCE ESTEQUIOMETRICO: 2PH3(g)
P 2(g)
Donde:
3 H 2( g )
n A n Ao 1 X A
Sea : 2A3(g) t
=0
t
>0
t = t
B2(g)
n B
3C 2( g )
nC
n Ao 1
n Ao X A
2
n Ao X A
n A
n B
2
2 3 2
n Ao X A 0.5 * n Ao X A n Ao X A 1.5 * n Ao X A
n Ao X A
nC
Hallando la concentración inicial: inicial:
Sabemos :
Tambien:
V V o (1 AY A X A )
Y A 1( solo A) A
3
1
(3 1) 2
2 Re emplazando:
V V o (1 X A )
1
P *V R * T * n n
P
C A V R *T reemplazando : C A
10 0.0082 * 600
0.203mol / lt
1)Ecuación Cinética:
Hallando K :
Hacemo Ha cemoss :
sabemos : K K o e
r A KC A2 ..........................(1)
T 300º K ,.. ,. E . a 6085 Kj,...
Tambien :
K 30lt / mol .mim,..... R 8.314 j /º Kmol
n A n Ao 1 X A
Re emplazando:
Div idiend idi endo o: V n A
n Ao 1 X A
V Pero P ero :
V
30 K o e
C A
n Ao 1 X A V o (1 X A )
C Ao
6.85*1000 300*8.314
K o 467.579
V V o (1 X A ) C A
E a R*T
En Arrenihus
1 X A (1 X A )
K K o e
Re eplazando :
Reemplazando:
2 1 X A r A KC A2 KC Ao (1 X A )
E a R*T
2
K 467.579 * e
6.85*1000 600*8.314
K 118.4372lt / mol . mi min n
3) ECUACION DE DISEÑO: CSTR
V F Ao V
X A
Reemplazando valores:
r A
( X A ) * ( F Ao )
V
( r A )
Ento E ntonces nces : V
2
1 X A ) ( KC ( 1 X ) A ( X A ) * ( F Ao ) * (1 X A ) 2 V 2 KC Ao (1 X A ) 2
2
118 .4372 * (0.203 ) (1 0.8)
V 365 .113 lt
( X A ) * ( F Ao ) 2 Ao
0.8 * 27 .5 * (1 0.8) 2
2
Problema 3: La siguiente reacción reversible elemental ocurre en fase liquida ….
↔ .
Las constantes cinéticas a la temperatura de reacción son:
=0.9 (/)−− y =0.3(/)−. − Para un volumen de reactor de Determine:
25 .y caudal =2,5 / y concentració concentración n inicial =2/.
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La conversión en el equilibrio
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La conversión a la salida de un reactor CSTR
1)BALANCE ESTEQUIOMETRICO Sea la reacción:
↔
2 =0 >0 = Se sabe:
2)ECUACION CINETICA
1.8 .
= 1 = 1.28
Luego:
= 0.9
= . =
= . En el equilibrio:
= 0
0 = 1 0.9× .
ECUACIÓN DE DISEÑO PARA UN REACTOR CSTR
+ = + = 0 Despejando volumen…
= = Donde = = (1) (1(1)) = ( ×(1 ) (0.9 ).
Siendo
= 25 = 25 / /
25 = 2.5×2 0.92×(1) 0.30.9×2× . 3.61 0.86419 641955 . = 5 Finalmente =0.6276
Reactores Discontínuos PFR •
Plug= pistón
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Flow=flujo
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Reactor=reactor
O mas conocido como REACTOR
DE FLUJO DE PISTÓN
La concentración de los reactantes disminuye a medida que la concentración del producto aumenta con respecto a la longitud del tubo o posición
Es importante la longitud y con ello determinar la posición y con esto podeos trabajar con un diferencial de volumen
Ventajas y desventajas desventajas Ventajas
Desventajas
Operación continua
Alto costo de fabricación
Se facilita un control automatizado del producto
Temperatura difícil de controlar del reactor.
De fácil mantenimiento ya que no hay partes móviles.
Se limita solo para reacciones rápidas sin mucho tiempo de residencia
Alto índice de conversión por unidad de volumen del reactor. Mecánicamente sencilla. La calidad del producto invariable. Bueno para el estudio de reacciones rápidas. Uso eficiente del volumen del reactor. Bueno para grandes procesos de capacidad.
Los puntos calientes pueden ocurrir dentro del reactor cuando se usa para reacciones exotérmicas.
USOS USO S ind u str ia iale less Generalmente para gases vapores y también líquidos se usan en: • •
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Producción de gasolina, Craqueo de aceite Producción del amoniaco a partir de sus elementos 0xidación de dióxido de azufre a trióxido de azufre.
En la foto se observa un reactor tubular utilizado en la investigación en la oxidación de los compuestos de nitrógeno.. Alcanza temperaturas de 800 a1100ºC. nitrógeno
Los reactores PFR o tubulares también se pueden utilizar como bioreactores o para la producción a pequeña escala. El bioreactor tubular se muestra a continuación se utiliza para la producción de algas. Las algas se comprimen y se secan y puede utilizarse como alimentación para un reactor de biodiesel.
Ec u ac i ón d e d is eñ o
Como varia con la posición es difícil resolver la integral , por ello tomamos un sub volumen y realizamos el balance en un donde se supone es uniforme en
∆
∆
El área bajo la curva se puede hallar usando métodos de integración numérica como los métodos de Simpson y métodos analíticos y gráficos
En té rm in o s d e co n c en tr ac ación ión
Graficando:
Mé t o d o s d e s o lu c ión a)
Método grafico
b)
Método integración numérica( Simpson 1/3 y 3/8)
De tres puntos De cuatro puntos De cinco puntos a)
Método analítico
