Este documento presenta los conceptos fundamentales para el diseño de reactores tubulares, incluyendo definiciones de flujo volumétrico, flujo molar, estado estacionario y geometría cilíndrica. Explica la hipótesis de flujo pistón y cómo se aplica el balance de materia a pequeños volúmenes de control para derivar la ecuación de diseño. Finalmente, muestra cómo esta ecuación permite calcular la conversión a lo largo del reactor en función de las variables cinéticas y de operación.
2. Documento: Personal
Reactor tubular
Siguen valiendo las mismas definiciones del TAC por ser el TUB un
reactor que opera de manera continua.
Caudal volumétrico (q): es el volumen por unidad de tiempo. En el
caso de la alimentación se define como q0 y como q a la salida del
reactor.
Flujo molar (Fj): es la cantidad de moles de la especie j-ésima por
unidad de tiempo. En el caso de la alimentación, también lleva el sufijo
0.
Flujo másico (mj): ídem anterior pero en unidades de masa.
Relación de alimentación (𝜽j): relación de moles de la especie j-
ésima respecto al clave, ambos en la alimentación.
Estado estacionario: es un régimen de operación en el cual las
variables como composición y temperatura permanecen invariables en
el tiempo.
El estado estacionario NO es un estado de equilibrio. De hecho, para
alcanzar un estadio de equilibrio es condición necesaria tener estado
3. Documento: Personal
Reactor tubular
Partiendo de la Ecuación general de Balance por
componente:
Fjo + α𝑗 𝑟 𝑑𝑉- Fj =
𝑑𝑁𝑗
𝑑𝑡
Geometría: El volumen de control (VC) deja de ser
arbitrario y pasa a tener una geometría definida: en
general cilíndrica donde:
Área de flujo = a = N (π r2); N=número de tubos
Volumen de reacción = V = a x L; L= largo del reactor
La integral de volumen se aplica a esta geometría
ahora definida.
4. Documento: Personal
Hipótesis Flujo pistón (FP)
En el reactor de tipo tubular, la geometría no es apta para pensar
en un mezclado perfecto ya que, conforme la mezcla reactante
avanza por el tubo va aumentando la conversión, ergo
cambiando la composición a cada paso del reactor y con ello la
velocidad de reacción.
En este tipo de geometría, la condición de idealidad considerada
es el flujo pistón el cual se define como aquel patrón de flujo en
el cual:
“El transporte de energía y materia de naturaleza dispersiva en
sentido radial es despreciable frente al transporte convectivo en
sentido axial”.
Esto implica que los procesos de dispersión transversal (radial)
son de tal magnitud que permiten que la composición y
5. Documento: Personal
Hipótesis Flujo pistón (FP)
Perfil chato de T y composición en la sección transversal del
flujo
r = k (T)
CA
r = k (T)
CA
r = k (T)
CA
6. Documento: Personal
Hipótesis Flujo pistón (FP)
Con esta hipótesis de idealidad, la integral de volumen debe
resolverse como sumatoria de los aportes de cada sección
transversal en la que cada composición define una
velocidad determinada para esa composición y lo que
resulta a la salida del reactor es la suma de todos esos
aportes.
La resolución matemática se plantea para cada sección
transversal a la cual se le asocia una velocidad de reacción
y luego se integra para todo la longitud L del reactor.
Sección de entrada:
negro
Sección de salida: rojo
Ambas separadas un Δz
Δz
z
Fj(z)
T(z)
z+Δz
Fj(z+Δz)
T(z+Δz)
L
7. Documento: Personal
Hipótesis Flujo pistón (FP)
Δz
z
Fj(z)
T(z)
z+Δz
Fj(z+Δz)
T(z+Δz)
La ecuación general del Balance se aplica al pequeño
volumen de control ΔV= S Δz, en estado estacionario:
Fj(z) + αj r(z)ΔV - Fj(z+Δz)= 0
Fj(z+Δz) - Fj(z) = αj
r(z) ΔV
Fj(z+Δz) − Fj(z)
ΔV
= αj r(z)
