Reactores

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA“
AREA DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA
U.C.: INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
PROF. ING. IVÁN JOSÉ ACOSTA MORALES.
CIV.: 183579
UNIDAD II.
ANÁLISIS DE REACTORES IDEALES
ISOTÉRMICOS.

ANÁLISIS DE REACTORES IDEALES ISOTÉRMICOS.
2.2 Reactores ideales isotérmicos.
La Ecuación General Del Balance De Moles
Reactor Discontinuo o Por Carga
Reactor continuo:
Mezcla completa (CSTR)
Flujo pistón (PFR)
Lecho Catalítico Empacado (PBR)
Lecho Catalítico Fluidizado
2.1 Definición e importancia de un reactor químico.
2.3 Definición de Conversión Molar
2.5 Tabla Estequiométrica
2.4 Ecuaciones de Diseño de Reactores químicos en función de la
Conversión.

2.1 Definición e importancia de un reactor químico.
Un REACTOR QUÍMICO
“Es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve
a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora
esta constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas
de entrada y salida para sustancias químicas, y esta gobernado por un
algoritmo de control” (Levenspiel 2004).
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.
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.
Estos equipos tienen como funciones principales:
PROPORCIONAR el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador,
para conseguir la extensión deseada de la reacción.

LA ECUACION GENERAL DEL BALANCE DE MOLES
-.) Un balance general de moles es determinar cuales son los flujos molares que entran y
sale de un sistema así como también cuantos moles se forman y si en el sistema como tal
existe acumulación según Fogler (2003).
-.) Es necesario especificar sus fronteras y se le llamara “volumen del sistema” al volumen
encerrado por dichas fronteras y dicho balance se realizará a la especie “j” en un volumen
del sistema donde ésta sustancia represente la especie química de interés.
2.2 Reactores ideales isotérmicos.

Si todas las variables del sistema fueran
espacialmente uniformes dentro del volumen del
sistema
Ahora se supone que la velocidad de formación de la
especie “j” para la reacción varía con la posición del
volumen del sistema, es decir, tiene un valor rj1 en
el lugar 1, que esta rodeado por un volumen
pequeño “ V1”, dentro del cual la velocidad es
uniforme.

Si el volumen total del sistema se divide “M” subvolumenes, la velocidad total de
generación es:
Tomando los límites correspondientes
Y usando la definición de integral se tiene
Ahora al sustituir Gj en la ecuación del
balance de materia se tiene

REACTOR DISCONTINUO (POR CARGA, POR LOTES,
INTERMITENTE, TIPO BATCH)
 Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino más bien, al inicio
del proceso se introduce los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura
requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los
productos de la reacción y los reactantes no convertidos. Por lo general operan en estado
NO ESTACIONARIO.
La composición de las especies es uniforme en todo el tanque.
Durante la reacción química no entra ni sale fluido del sistema por lo que: Fjo = Fj = 0.
Aplicando la Ecuación del Balance General de Moles:
Si la mezcla es perfectamente homogénea de modo que no hay variación
en la rapidez de reacción en todo el volumen del reactor se puede sacar
“rj” de la integral y escribir el balance general de moles de la forma:

REACTOR CONTINUO: TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA , MEZCLA
COMPLETA, REACTOR DE FLUJO MEZCLADO, REACTOR DE
RETROMEZCLADO, C*
 Es un tipo de reactor que opera continuamente y en el que su contenido esta perfectamente
agitado y su composición en cada instante es la misma en todos los puntos del reactor.
También se le denomina CFSTR (CONSTANT FLOW STIRRED TANK REACTOR), CSTR
(CONTINUOS STIRRED TANK REACTOR) y normalmente opera en estado estacionario, por
consiguiente, la corriente de salida de este reactor tiene la misma composición que la del fluido
contenido en el mismo.
A este tipo de flujo le denominamos FLUJO EN MEZCLA COMPLETA, y al reactor correspondiente
REACTOR DE FLUJO EN MEZCLA COMPLETA. La temperatura en todo el espacio del reactor es la
misma Y La composición se supone homogénea. Es conocido también como Reactor de Tanque
Agitado o MFR (Mixed Flow Reactor)
Sabiendo que
opera en Estado
Estacionario
0







dt
dNj
Si no hay variaciones
espaciales en la
rapidez de reacción
 
V
j
Vr
rjdV

Substituyendo en la ecuación General del Balance de Moles
0


 j
O Vr
Fj
Fj
Despejando el Volumen del Reactor o Volumen de Diseño se tiene:
j
j
j
r
F
F
V



0
REACTOR CONTINUO: MEZCLA COMPLETA

REACTOR CONTINUO: REACTOR TUBULAR IDEAL, FLUJO PISTON, FLUJO
TAPON , REACTOR CONTINUO DE FLUJO UNIFORME, PFR
 Es un tipo de reactor que opera normalmente en estado estacionario al igual que el CSTR.
Se considera que el flujo es altamente turbulento y el campo de flujo se puede modelar
como el de flujo taponado (No hay variación radial pero si variación axial en la
concentración) de allí deriva que este equipo se conoce como reactor PFR (Plug – Flow
Reactor).
Para obtener la ecuación de diseño del PFR se dividirá
conceptualmente el reactor en varios subvolumenes de manera que
dentro de cada subvolumen, “ V” la velocidad de reacción se pueda
considerar espacialmente uniforme de la cual se obtiene que:
 
V
j
Vr
rjdV

REACTOR CONTINUO: REACTOR TUBULAR
Sabiendo que opera en Estado Estacionario
y tomando en cuenta los flujos molares en
un subvolumen se tiene que el balance de
moles queda:
0







dt
dNj
Para cada subvolumen se representará con Fj(Y) la
velocidad de flujo molar de la especie “j” hacia dicho
subvolumen “ V” en y, y con Fj(y+ y), el flujo molar de
la especie j desde el volumen que esta en (y+ y).
0
)
(
)
( 




 V
rj
y
y
F
y
Fj
El volumen V es el producto de área de sección
transversal del reactor A, y la longitud del reactor
y.
y
A
V 


Ahora se sustituye V en la ecuación anterior y se
divide entre “y” para obtener: j
j
j
Ar
y
y
F
y
y
F













)
(
)
(

REACTOR CONTINUO: REACTOR TUBULAR
Puesto que la ecuación anterior es similar a la expresión matemática que define la
derivada:
Y tomando el límite en el que aparece y. se acerca a cero, se obtiene:
Por lo común, es más conveniente tener el volumen del reactor V como variable
independiente, en lugar de la longitud del reactor y. Por lo tanto, se cambiara la
variable usando la relación dV = Ady para obtener una expresión en función del
volumen y aplicado a una especie “A”:
dx
df
x
x
F
x
x
f










 )
(
)
(
j
j
Ar
dy
dF



A
A
r
dV
dF




REACTOR CONTINUO: LECHO CATALITICO EMPACADO
A
A
r
dV
dF


 A
A
r
dW
dF



Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de
catalizador, que operan en posición vertical.
Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas,
esféricas, etc.
 En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos como el platino, no se
emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre.
(Levenspiel, 2004).
Para obtener tal ecuación según Fogler (2003), se deduce similar a la de un PFR sólo
que el volumen del reactor se cambia por la masa del catalizador W.

REACTOR CONTINUO: LECHO CATALITICO FLUIDIZADO
Se utiliza para reacciones donde intervengan un sólido y un fluido (generalmente un
gas).
En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a
una velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rápido de partículas se
obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formación de zonas
calientes.
La ecuación de diseño para este tipo de reactores se obtiene sustituyendo en la
ecuación de un CSTR el volumen del reactor por la masa del catalizador (W).
j
j
j
r
F
F
W



0
j
j
j
r
F
F
V



0

CONVERSIÓN MOLAR
X: es la conversión o la relación de los moles consumidos (NAc) respecto a los moles
iniciales (NAo) que puede alcanzar la reacción y puede obtenerse mediante la ecuación:
El número de moles de “A” que quedan en el reactor después de un tiempo “t” , NA, se
pueden expresar en términos de Nao y X:

ECUACIONES DE DISEÑO EN FUNCIÓN DE LA CONVERSIÓN MOLAR
Las ecuaciones de diseño deducidas para los reactores anteriormente presentados pueden
escribirse en función de la Conversión. A continuación se muestran las ecuaciones de diseño:
V
r
dt
dx
N A
A 






0
Reactor Discontinuo
Tanque de agitación Continua
CSTR
A
A r
x
F
V


0
Flujo Pistón PFR
A
A r
dV
dx
F 

0

Lecho Catalítico Empacado
Lecho Catalítico Fluidizado
A
A r
x
F
W


0
ECUACIONES DE DISEÑO EN FUNCIÓN DE LA CONVERSIÓN MOLAR
A
A r
dW
dx
F 

0

2.5 TABLA ESTEQUIOMÉTRICA
SISTEMA POR LOTES
NA0
NB0
NC0
ND0
NI0
t = 0
NA
NB
NC
ND
NI
t = t

2.5 TABLA ESTEQUIOMÉTRICA (SISTEMAS A DENSIDAD CONSTANTE)
SISTEMA POR LOTES

2.5 TABLA ESTEQUIOMÉTRICA
SISTEMA CONTINUO
FA0
FB0
FC0
FD0
FI0
FA
FB
FC
FD
FI

SISTEMA CONTINUO
2.5 TABLA ESTEQUIOMÉTRICA (SISTEMAS A DENSIDAD CONSTANTE)

“No tengo talentos especiales pero
si soy profundamente curioso”
Albert Einstein
Muchas Gracias

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