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Es el medio físico donde se lleva a cabo la reacción asociada a un proceso a
condiciones apropiadas para que la generación de productos sea
rentable, estas condiciones son conocidas y pueden ser perfectamente
controladas..



Según el número de fases                     Según el perfil de Temperatura

  Monofásico                                 Isotérmico

  Multifásico                                Adiabático
                 Bifásico
                 Trifásico                   No isotérmico

                       Según el modo de operación
       Discontinuos           Continuos               Semicontinuos
        Por carga            Tanque agitado           Flujo de entrada
                             Tubular
                             Lecho fluidizado         Flujo de salida
                             Slurry                   Combinaciones
                             Lecho empacado
Son casos muy particulares de los reactores por carga (RPC), tubulares
(RFP) y de tanque agitado (RMC).


Desarrollar balances de materia sencillos y aplicables para dimensionamiento
Se pueden hacer sistemas de reactores ideales que permitan describir el
comportamiento de un reactor no ideal

                      es como una especie de proceso de contabilidad de las
especies químicas que entran y salen del sistema.



 Entrada              Salida           Transformación           Acumulación

Balance global
Balance en cada una de las especies químicas
Esquema o representación gráfica



Condiciones de idealidad




Balance en moles: definición de la ecuación de diseño

  Entrada              Salida           Transformación          Acumulación



Solución gráfica


Operación y tiempo de residencia
Condiciones de idealidad: Mezclado perfecto



  La concentración del      CA
  reactivo cambia con el
  tiempo no con la
  posición en el reactor


                                                         t
Balance en A:   Aa + Bb          cC + dD

   Entrada             Salida                Transformación      Acumulación

                                                                    dN A
    0                   0                      V(-υA)
                                                                     dt
Parámetro de diseño:                         dN A                dN A
                                V(   A   )                dt
      Tiempo                                  dt               V ( A)
dN A                         V: Volumen de reacción
     dt
              V ( A)                         NA    C AV                                            A P y T ctte

 V= ctte                                                   V≠ ctte
                                                           Fase gas ΔN ≠ 0                             NRT
                                                                                               V
          Fase líquida                                                                                  P

                                                                                 Si ΔN < 0         3A            B
                       Fase gas ΔN=0                                             Si ΔN > 0         A             3B
                  No hay cambio              Confinado
                  en el número de             Varia P
                  moles
                                                           Disminuciónen el número de moles
                                                             Aumento en el número de moles

                                        CA                NA   N A0 (1 X A )                dN A       N A0 dX A )
           d (VC A )                         dC A
dt                               t
                                            ( A)                     V    V0 (1             X A)
           V ( A)                      C A0
                                                                                        A



CA     C A0 (1 X A )                      XA                                XA
                                                                                             dX A
                                                dX A             t   C A0
                             t       C A0                                          (1
dC A       C A0 dX A                           ( A)                         X A0            A X A )(     A   )
                                          X A0
Graficas:     Operación:
 C Ao
   rA
                               Área bajo la curva
                               Carga
                               Acondicionamiento de los reactivos
                               Reacción
                               Acondicionamiento de los productos
                        Volumen constante
                               Descarga
                           X
                               Limpieza C Ao
                                         (1   X A )( rA )
t de reacción=t de residencia                        Área bajo la curva
                           Volumen variable
t muerto=t carga + t acondicionamiento + t acondicioamiento + t descarga
            + t limpieza
                                XA
                                     C Ao dX A
                              t
 t total =t muerto + t reacción
                                0
                                   (1 X A )( rA )
                                                                    XA 1   X
Condiciones de idealidad:
 Edo. Estacionario
 Régimen de flujo tipo flujo en pistón
 No hay gradientes radiales de concentración




                                dV
 CA
                                     La concentración del
                                     reactivo no cambia con
                                     el tiempo solo cambia
                                     con la posición en el
                                     reactor
                            t
F A entrada                       F A salida




Balance de A en el dV: Aa + Bb                      cC + dD                                dV


   Entrada                      Salida                   Transformación                    Acumulación

  FA entrada                F A salida                        dV(-υA)                            0

  FAentrada     FA0 (1 X A )             FAsalida       FA0 (1 ( X A dX A )

  FA0 (1 X A ) FA0 (1 ( X A dX A ) (                      A   )dV               FA0 dX A   (    A   )dV

  V           XA
       dV                dX A                       V
                                                              XA
                                                                             dX A
                   C A0                                              C A0
  V0    0     X A0
                        ( A)                                                ( A)
                                                     0        X A0
Graficas:

        RFP
 C Ao         XA
   rA              C Ao dX A
              0
                    ( rA )




                               X
                                   XA




                                        τ = t de residencia si ΔN = 0
                                        τ > t de residencia si ΔN > 0
                                        τ < t de residencia si ΔN < 0
Condiciones de idealidad: Mezclado perfecto
                           Edo. estacionario


                             CA

La concentración del
reactivo no cambia con
el tiempo ni con la                                                (       A   )       f (T , C A )
posición en el reactor
                                                         t             (           A   ) ctte
Balance de A :           Aa + Bb           cC + dD

   Entrada                Salida            Transformación                         Acumulación

   FA 0                  F A salida           V(-υA)                                       0

   FA0    FA0 (1 X Af ) V (           )f      V    C A0 ( X Af )
                                  A

                                               0     (        )
                                                             A f
Graficas:


                  RMC                      Base
         C Ao           C Ao ( x f     xo )
           rA
                            ( rA ) f               Altura

  C Ao
    rA                                        Área del
                                              rectángulo

                                               X

            XA0                      XAf
Tiempo de residencia                                Zonas Muertas:
                                                   Presentan conversión cero y no existe
                                                    intercambio de material de reacción
                                                    con el sistema, se encuentra en
                                                    extremos del reactor o en cercanías
                                                    del sistema de mezclado.

                                                        Bypass:
                                                       Se constituye por el paso inmediato
                                                        del reactivo hacia la salida del
                                                        reactor, por lo que no ocurre, o casi
                                                        no ocurre reacción.
       1.2
                           y = e-1x
        1

       0.8


                                                             Distribución de tiempo de
   E




       0.6

       0.4
                                                                     residencia
       0.2

        0
             0   0.5      1           1.5    2   2.5
                       tiempo adimensional
Estudios cinéticos
     Procesos que requieran versatilidad
     Producción limitada




Producción masiva
Alta eficiencia en procesos con comportamiento
de orden negativo




        Producción masiva
        Alta eficiencia en procesos con comportamiento
        de orden positivo
Tipo de Reacción

  Escala de Producción
  Costo de los equipos y su funcionamiento
  Seguridad, estabilidad y flexibilidad de la operación
  Vida útil
  Tiempo supuesto de la fabricación del producto



Buena elección             Experiencia
                           Criterio técnico
                           Conocimiento profundo de las
                           características de los distintos
                           sistemas de reactores
Reacciones simples
                        Tamaño del reactor   Volumen (V)
Reactores isotérmicos


                        Conversión (X)
 Representaciones Gráficas
     RPC                                       RFP
1                                        1            CA
rA                                       rA                   dC A
                                                      C Ao
                                                             ( rA )




                                                                      x
                  x        RMC
                      1          C Ao ( x f    xo )
                      rA
                                      ( rA )




                                                      x
 Continuos vs. Discontinuos

RPC vs. RFP
Tienen la misma ecuación de diseño.
“Dos reactores son equivalentes cuando tienen la misma productividad”.

           NB                      C AoV RFP x            C AoV RPC x
  Pr od                PRFP                        PRPC
          tM    tR                     tR                  tM tR



Si VRFP= VRPC        PRFP     tM        tR       Entonces               PRFP   PRPC
                                             1
                     PRPC          tR
C A0
  rA


         RMC

                                         C A0
               RFP
                                           rA
                               1    x
                          XA


 C A0
                                                RMC   RFP
   rA
                                                            XA   x



        RFP
              RMC
                     XA            1 x
Los sistemas de Reactores reales suelen        modelarse   como
combinaciones de sistemas reactores ideales.
• Sistema de RMC en serie de
                      igual tamaño
                        1
                        rA




V   C A0 ( X Af )
                                               x
0    (      )
          A f
• Sistema de RMC en serie de
  igual tamaño

      Un sistema en serie de m RMC de
      igual tamaño, es equivalente a un
      RFP de m veces el tamaño de uno
      de los RMC, para tener una misma
      conversión.

              Demostrar que si m → ∞
                  sistemaRMC = RFP
• Sistema de RMC en serie de
  distintos tamaños
     Es menos eficiente que el sistema
       anterior.
     El arreglo de tamaños depende del
       orden de la reacción.
     Si n < 1 mayor tamaño primero
     Si n > 1 menor tamaño primero
     Si n = 1 se prefieren de igual       Tarea
       tamaños.                    Por qué?
• Sistema de RFP en serie

     El análisis es indiferente si los RFP
       en serie son o no del mismo
       tamaño.
     Es equivalente a un RFP de volumen
       la suma de los volúmenes
       parciales



              x2                x1         x2
                 dx                dx          dx
       C Ao              C Ao
              0
                ( rA )          0
                                  ( rA )   x1
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Diseño de Reactores Clase 1

  • 1.
  • 2. Es el medio físico donde se lleva a cabo la reacción asociada a un proceso a condiciones apropiadas para que la generación de productos sea rentable, estas condiciones son conocidas y pueden ser perfectamente controladas.. Según el número de fases Según el perfil de Temperatura Monofásico Isotérmico Multifásico Adiabático Bifásico Trifásico No isotérmico Según el modo de operación Discontinuos Continuos Semicontinuos Por carga Tanque agitado Flujo de entrada Tubular Lecho fluidizado Flujo de salida Slurry Combinaciones Lecho empacado
  • 3. Son casos muy particulares de los reactores por carga (RPC), tubulares (RFP) y de tanque agitado (RMC). Desarrollar balances de materia sencillos y aplicables para dimensionamiento Se pueden hacer sistemas de reactores ideales que permitan describir el comportamiento de un reactor no ideal es como una especie de proceso de contabilidad de las especies químicas que entran y salen del sistema. Entrada Salida Transformación Acumulación Balance global Balance en cada una de las especies químicas
  • 4. Esquema o representación gráfica Condiciones de idealidad Balance en moles: definición de la ecuación de diseño Entrada Salida Transformación Acumulación Solución gráfica Operación y tiempo de residencia
  • 5. Condiciones de idealidad: Mezclado perfecto La concentración del CA reactivo cambia con el tiempo no con la posición en el reactor t Balance en A: Aa + Bb cC + dD Entrada Salida Transformación Acumulación dN A 0 0 V(-υA) dt Parámetro de diseño: dN A dN A V( A ) dt Tiempo dt V ( A)
  • 6. dN A V: Volumen de reacción dt V ( A) NA C AV A P y T ctte V= ctte V≠ ctte Fase gas ΔN ≠ 0 NRT V Fase líquida P Si ΔN < 0 3A B Fase gas ΔN=0 Si ΔN > 0 A 3B No hay cambio Confinado en el número de Varia P moles Disminuciónen el número de moles Aumento en el número de moles CA NA N A0 (1 X A ) dN A N A0 dX A ) d (VC A ) dC A dt t ( A) V V0 (1 X A) V ( A) C A0 A CA C A0 (1 X A ) XA XA dX A dX A t C A0 t C A0 (1 dC A C A0 dX A ( A) X A0 A X A )( A ) X A0
  • 7. Graficas: Operación: C Ao rA Área bajo la curva Carga Acondicionamiento de los reactivos Reacción Acondicionamiento de los productos Volumen constante Descarga X Limpieza C Ao (1 X A )( rA ) t de reacción=t de residencia Área bajo la curva Volumen variable t muerto=t carga + t acondicionamiento + t acondicioamiento + t descarga + t limpieza XA C Ao dX A t t total =t muerto + t reacción 0 (1 X A )( rA ) XA 1 X
  • 8. Condiciones de idealidad: Edo. Estacionario Régimen de flujo tipo flujo en pistón No hay gradientes radiales de concentración dV CA La concentración del reactivo no cambia con el tiempo solo cambia con la posición en el reactor t
  • 9. F A entrada F A salida Balance de A en el dV: Aa + Bb cC + dD dV Entrada Salida Transformación Acumulación FA entrada F A salida dV(-υA) 0 FAentrada FA0 (1 X A ) FAsalida FA0 (1 ( X A dX A ) FA0 (1 X A ) FA0 (1 ( X A dX A ) ( A )dV FA0 dX A ( A )dV V XA dV dX A V XA dX A C A0 C A0 V0 0 X A0 ( A) ( A) 0 X A0
  • 10. Graficas: RFP C Ao XA rA C Ao dX A 0 ( rA ) X XA τ = t de residencia si ΔN = 0 τ > t de residencia si ΔN > 0 τ < t de residencia si ΔN < 0
  • 11. Condiciones de idealidad: Mezclado perfecto Edo. estacionario CA La concentración del reactivo no cambia con el tiempo ni con la ( A ) f (T , C A ) posición en el reactor t ( A ) ctte Balance de A : Aa + Bb cC + dD Entrada Salida Transformación Acumulación FA 0 F A salida V(-υA) 0 FA0 FA0 (1 X Af ) V ( )f V C A0 ( X Af ) A 0 ( ) A f
  • 12. Graficas: RMC Base C Ao C Ao ( x f xo ) rA ( rA ) f Altura C Ao rA Área del rectángulo X XA0 XAf
  • 13. Tiempo de residencia Zonas Muertas: Presentan conversión cero y no existe intercambio de material de reacción con el sistema, se encuentra en extremos del reactor o en cercanías del sistema de mezclado. Bypass: Se constituye por el paso inmediato del reactivo hacia la salida del reactor, por lo que no ocurre, o casi no ocurre reacción. 1.2 y = e-1x 1 0.8 Distribución de tiempo de E 0.6 0.4 residencia 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 tiempo adimensional
  • 14. Estudios cinéticos Procesos que requieran versatilidad Producción limitada Producción masiva Alta eficiencia en procesos con comportamiento de orden negativo Producción masiva Alta eficiencia en procesos con comportamiento de orden positivo
  • 15. Tipo de Reacción Escala de Producción Costo de los equipos y su funcionamiento Seguridad, estabilidad y flexibilidad de la operación Vida útil Tiempo supuesto de la fabricación del producto Buena elección Experiencia Criterio técnico Conocimiento profundo de las características de los distintos sistemas de reactores
  • 16. Reacciones simples Tamaño del reactor Volumen (V) Reactores isotérmicos Conversión (X)
  • 17.  Representaciones Gráficas RPC RFP 1 1 CA rA rA dC A C Ao ( rA ) x x RMC 1 C Ao ( x f xo ) rA ( rA ) x
  • 18.  Continuos vs. Discontinuos RPC vs. RFP Tienen la misma ecuación de diseño. “Dos reactores son equivalentes cuando tienen la misma productividad”. NB C AoV RFP x C AoV RPC x Pr od PRFP PRPC tM tR tR tM tR Si VRFP= VRPC PRFP tM tR Entonces PRFP PRPC 1 PRPC tR
  • 19. C A0 rA RMC C A0 RFP rA 1 x XA C A0 RMC RFP rA XA x RFP RMC XA 1 x
  • 20. Los sistemas de Reactores reales suelen modelarse como combinaciones de sistemas reactores ideales.
  • 21. • Sistema de RMC en serie de igual tamaño 1 rA V C A0 ( X Af ) x 0 ( ) A f
  • 22. • Sistema de RMC en serie de igual tamaño Un sistema en serie de m RMC de igual tamaño, es equivalente a un RFP de m veces el tamaño de uno de los RMC, para tener una misma conversión. Demostrar que si m → ∞ sistemaRMC = RFP
  • 23. • Sistema de RMC en serie de distintos tamaños Es menos eficiente que el sistema anterior. El arreglo de tamaños depende del orden de la reacción. Si n < 1 mayor tamaño primero Si n > 1 menor tamaño primero Si n = 1 se prefieren de igual Tarea tamaños. Por qué?
  • 24. • Sistema de RFP en serie El análisis es indiferente si los RFP en serie son o no del mismo tamaño. Es equivalente a un RFP de volumen la suma de los volúmenes parciales x2 x1 x2 dx dx dx C Ao C Ao 0 ( rA ) 0 ( rA ) x1 ( rA )