domingo, 28 de mayo de 2023
¿Qué es la energía?
¿Qué es la energía?: La energía es la capacidad que poseen los cuerpos para poder efectuar un trabajo a causa de su constitución (energía interna), de su posición (energía potencial) o de su movimiento (energía cinética). Es una magnitud homogénea con el trabajo, por lo que se mide en las mismas unidades, es decir en julios en el Sistema Internacional. Según la forma o el sistema físico en que se manifiesta, se consideran diferentes formas de energía: térmica, mecánica, eléctrica, química, electromagnética, nuclear, luminosa, etc.
viernes, 21 de enero de 2011
Reactores no Isotermicos
5. ECUACIONES DE DISEÑO Y SIMULACION DE REACTORES IDEALES NO ISOTERMICOS
5.1 CONSIDERACIONES PRELIMINARES
Como en el caso de los reactores isotérmicos, nos interesa operar un reactor a una temperatura o con perfil de temperatura tal que el volumen sea mínimo para una determinada conversión. Es importante conocer esta progresión óptima de temperatura para que, en un caso real, tratemos de acercarnos a este comportamiento.
Debemos recordar que para un sistema reactivo siempre existirá una temperatura a la cual la velocidad de reacción es máxima sin importar la composición.
Para las reacciones irreversibles, la velocidad aumenta siempre con la temperatura para cualquier composición, de tal manera que la velocidad máxima corresponde a la temperatura máxima permisible, limitada por los materiales de construcción o por el aumento de la importancia relativa de las reacciones secundarias.
Para las reacciones endotérmicas reversibles un aumento de temperatura hace que la conversión de equilibrio aumente al igual que la velocidad de reacción, esto significa que debemos emplear la mayor temperatura permisible.
Para las reacciones exotérmicas reversibles se presenta un caso especial porque hay dos factores en oposición: cuando se eleva la temperatura aumenta la velocidad de la reacción directa pero la conversión al equilibrio disminuye: En consecuencia, al principio de la reacción, cuando la conversión de equilibrio es mayor, se debe utilizar una temperatura alta para aumentar la velocidad de reacción. Al alcanzar condiciones cercanas al equilibrio se debe bajar la temperatura para aumentar la conversión al equilibrio. En general, la temperatura debería seguir un camino óptimo dado por los máximos de las velocidades de reacción que se denomina lugar geométrico de velocidades máximas.
Ejemplo:
Ejemplo:
Para la reacción exotérmica reversible
A ↔ R
La velocidad de reacción esta dada por la expresión:
-rA = k1CA – k2CR (1)
Siendo k1 = e17,2 – 11600/RT min-1
K2 = e41,9 – 29600/RT min-1
Si la temperatura de operación máxima permisible es de 95 0C, calcular el tiempo espacial que se requiere para alcanzar una conversión del 80% en un reactor flujo piston que siga
una progresión de temperatura optima. La concentración inicial de A en la alimentación es CAO = 1 mol/lt
Solución:
Para hallar el camino óptimo se deberán hallar los máximos de las velocidades de reacción. Se pueden utilizar dos métodos: el grafico, empleado por Levenspiel, y el analítico.
Para utilizar el método grafico se deben realizar graficas de X vs T utilizando como parámetro la velocidad de reacción. Para cada velocidad de reacción se presenta un máximo. El conjunto de los máximos proporciona el camino optimo para la temperatura.
En el método analítico, una vez colocada la expresión de velocidad de reacción en función de la conversión se deriva con relación a la temperatura, igualando a cero se obtiene una relación entre X y T que será el perfil óptimo de temperatura.
Reemplazando k1 y k2, CA y CR en la ecuación (1), se obtiene la expresión:
(2)
Derivando la velocidad de reacción con respecto a la temperatura e igualando a cero se obtiene:
En esta expresión está representado el camino óptimo de conversión vs temperatura para esta reacción y dando valores a la temperatura y calculando la conversión se obtiene la siguiente tabla:
T(ºC) T (K) X
95 368 0,2611
85 358 0,4127
75 348 0,5925
65 338 0,7585
55 328 0,8767
45 318 0,9492
35 308 0,9771
25 298 0,9913
15 288 0,9969
5 278 0,999
Para obtener la grafica de Temperatura vs Conversión al equilibrio, se iguala la ecuación (2) a cero, se dan valores a T para obtener la conversión (Xe)
T(ºC) T (K) Xe
GRAFICA
5.2 DISEÑO DE REACTORES NO ISOTERMICOS
Para el diseño de reactores no isotérmicos necesitamos, además de la ecuación de balance de masa, la ecuación de balance de energía, en general, esta dependerá de si el sistema es cerrado o abierto.
Casi siempre, los reactores reales operan en condiciones no isotérmicas, principalmente porque las reacciones generan o absorben grandes cantidades de calor y las velocidades de reacción dependen fuertemente de la temperatura.
Es normal que deseemos operar las reacciones exotérmicas en condiciones no isotérmicas para tomar ventaja del calor desprendido por la reacción y calentar el reactor hasta una temperatura donde las velocidades sean mayores y por lo tanto los volúmenes sean menores. Sin embargo, si la temperatura es demasiado alta las limitaciones del equilibrio pueden limitar la conversión.
Los reactores pequeños de laboratorio, casi siempre, operan a temperatura constante, esto se debe a que el área de sus paredes por donde se presenta la transferencia de calor es pequeña comparada con el volumen del reactor en el cual se desarrolla la reacción.
Los reactores industriales son tan grandes que es prácticamente imposible mantenerlos operando a una temperatura determinada.
De otra parte, uno de los problemas más grandes en el manejo de reacciones exotérmicas es el sobrecalentamiento, especialmente si el calor de reacción es muy alto.
Otra razón importante para considerar los reactores no isotérmicos es que son la causa principal de accidentes en plantas de procesos.
5.3 GENERACION Y REMOCIÓN DE CALOR
Para establecer un balance de energía debemos tener en cuenta el calor que entra al reactor con el flujo de reactivos y el calor que sale del reactor con los productos. De otra parte, la reacción genera o absorbe calor según la reacción sea exotérmica o endotérmica, Además, el calor puede ser transferido a través de las paredes.
En reactor CSTR la temperatura dentro del reactor será igual a la temperatura de salida del reactor, pero en cualquier otro tipo de reactor la temperatura y la conversión son función de la posición en el reactor o del tiempo de reacción.
5.4 FORMA GENERAL DEL BALANCE DE ENERGÍA
La forma general del balance de energía (primera ley de la termodinámica) para un volumen de control sujeto a las siguientes suposiciones:
• El trabajo de eje tiene un valor despreciable frente a las demás formas de energía.
• El sistema carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimiento y de tensión superficial.
• La energía cinética y la energía potencial poseen valores despreciables frente a las demás formas de energía.
• El trabajo w que entra al volumen de control desde los alrededores es despreciable.
Teniendo en cuenta las anteriores suposiciones, un balance general de energía se planteara en los siguientes términos:
[Entradas] - [Salidas] + [Generación] - [Consumo] = [Acumulación]
Se debe tener en cuenta que cada término tiene unidades de energía en la unidad de tiempo.
El calor de reacción se tiene en cuenta en los términos de generación, si la reacción es exotérmica, o de consumo si la reacción es endotérmica.
Dividiendo por y tomando límites y , obtenemos la expresión:
Si tomamos y reemplazamos en la expresión anterior, se obtiene:
A continuación se contemplan varios casos:
1. REACTOR POR LOTES ADIABATICO.
El balance de energía se reduce a la siguiente expresión:
Del balance de materia se sabe que:
Reemplazando en la ecuación de balance de energía, se obtiene:
Integrando:
Si se conoce la masa contenida en el reactor y la capacidad calorífica por unidad de masa, la ecuación de balance de energía se podría escribir como:
Se debe resolver en forma simultánea la ecuación del balance de energía y la ecuación dada del balance de materia para obtener el tiempo de reacción:
2. REACTOR POR LOTES CON Q= Constante.
Integrando el balance de energía queda:
Al resolver esta ecuación junto con el balance de masa se obtiene el tiempo de reacción.
Ejemplo:
Se ha estudiado la descomposición en fase liquida de A:
Los datos experimentales obtenidos en un rango de temperatura de 295 a 340 ºC indican que la reacción es de primer orden.
La energía de activación E= 44500 cal/gmol y el coeficiente cinético esta dado por la expresión:
a. Si un reactor batch contiene 500 libras de solución a 340ºC (ρ=0,9 g/cm3), para una operación adiabática trazar las curvas de conversión y temperatura vs tiempo. Se estima que el calor de la reacción es de 15000 cal/gmol de A que ha reaccionado. La concentración de A en la solución cargada es de 0,026 mol/ml.
Se puede asumir que la capacidad calorífica de la mezcla reactiva permanece constante (CPm= 0,6 Btu/LbºF)
b. Si en lugar de operar adiabáticamente se añade energía en forma de calor a velocidad constante, Q= 3000 Btu/min. Cuáles serán las curvas de conversión y temperatura vs tiempo?
c. Qué tipo de operación recomienda y por qué?
d. En qué porcentaje aumenta el tiempo necesario para obtener una conversión del 50 %?
5.1 CONSIDERACIONES PRELIMINARES
Como en el caso de los reactores isotérmicos, nos interesa operar un reactor a una temperatura o con perfil de temperatura tal que el volumen sea mínimo para una determinada conversión. Es importante conocer esta progresión óptima de temperatura para que, en un caso real, tratemos de acercarnos a este comportamiento.
Debemos recordar que para un sistema reactivo siempre existirá una temperatura a la cual la velocidad de reacción es máxima sin importar la composición.
Para las reacciones irreversibles, la velocidad aumenta siempre con la temperatura para cualquier composición, de tal manera que la velocidad máxima corresponde a la temperatura máxima permisible, limitada por los materiales de construcción o por el aumento de la importancia relativa de las reacciones secundarias.
Para las reacciones endotérmicas reversibles un aumento de temperatura hace que la conversión de equilibrio aumente al igual que la velocidad de reacción, esto significa que debemos emplear la mayor temperatura permisible.
Para las reacciones exotérmicas reversibles se presenta un caso especial porque hay dos factores en oposición: cuando se eleva la temperatura aumenta la velocidad de la reacción directa pero la conversión al equilibrio disminuye: En consecuencia, al principio de la reacción, cuando la conversión de equilibrio es mayor, se debe utilizar una temperatura alta para aumentar la velocidad de reacción. Al alcanzar condiciones cercanas al equilibrio se debe bajar la temperatura para aumentar la conversión al equilibrio. En general, la temperatura debería seguir un camino óptimo dado por los máximos de las velocidades de reacción que se denomina lugar geométrico de velocidades máximas.
Ejemplo:
Ejemplo:
Para la reacción exotérmica reversible
A ↔ R
La velocidad de reacción esta dada por la expresión:
-rA = k1CA – k2CR (1)
Siendo k1 = e17,2 – 11600/RT min-1
K2 = e41,9 – 29600/RT min-1
Si la temperatura de operación máxima permisible es de 95 0C, calcular el tiempo espacial que se requiere para alcanzar una conversión del 80% en un reactor flujo piston que siga
una progresión de temperatura optima. La concentración inicial de A en la alimentación es CAO = 1 mol/lt
Solución:
Para hallar el camino óptimo se deberán hallar los máximos de las velocidades de reacción. Se pueden utilizar dos métodos: el grafico, empleado por Levenspiel, y el analítico.
Para utilizar el método grafico se deben realizar graficas de X vs T utilizando como parámetro la velocidad de reacción. Para cada velocidad de reacción se presenta un máximo. El conjunto de los máximos proporciona el camino optimo para la temperatura.
En el método analítico, una vez colocada la expresión de velocidad de reacción en función de la conversión se deriva con relación a la temperatura, igualando a cero se obtiene una relación entre X y T que será el perfil óptimo de temperatura.
Reemplazando k1 y k2, CA y CR en la ecuación (1), se obtiene la expresión:
(2)
Derivando la velocidad de reacción con respecto a la temperatura e igualando a cero se obtiene:
En esta expresión está representado el camino óptimo de conversión vs temperatura para esta reacción y dando valores a la temperatura y calculando la conversión se obtiene la siguiente tabla:
T(ºC) T (K) X
95 368 0,2611
85 358 0,4127
75 348 0,5925
65 338 0,7585
55 328 0,8767
45 318 0,9492
35 308 0,9771
25 298 0,9913
15 288 0,9969
5 278 0,999
Para obtener la grafica de Temperatura vs Conversión al equilibrio, se iguala la ecuación (2) a cero, se dan valores a T para obtener la conversión (Xe)
T(ºC) T (K) Xe
GRAFICA
5.2 DISEÑO DE REACTORES NO ISOTERMICOS
Para el diseño de reactores no isotérmicos necesitamos, además de la ecuación de balance de masa, la ecuación de balance de energía, en general, esta dependerá de si el sistema es cerrado o abierto.
Casi siempre, los reactores reales operan en condiciones no isotérmicas, principalmente porque las reacciones generan o absorben grandes cantidades de calor y las velocidades de reacción dependen fuertemente de la temperatura.
Es normal que deseemos operar las reacciones exotérmicas en condiciones no isotérmicas para tomar ventaja del calor desprendido por la reacción y calentar el reactor hasta una temperatura donde las velocidades sean mayores y por lo tanto los volúmenes sean menores. Sin embargo, si la temperatura es demasiado alta las limitaciones del equilibrio pueden limitar la conversión.
Los reactores pequeños de laboratorio, casi siempre, operan a temperatura constante, esto se debe a que el área de sus paredes por donde se presenta la transferencia de calor es pequeña comparada con el volumen del reactor en el cual se desarrolla la reacción.
Los reactores industriales son tan grandes que es prácticamente imposible mantenerlos operando a una temperatura determinada.
De otra parte, uno de los problemas más grandes en el manejo de reacciones exotérmicas es el sobrecalentamiento, especialmente si el calor de reacción es muy alto.
Otra razón importante para considerar los reactores no isotérmicos es que son la causa principal de accidentes en plantas de procesos.
5.3 GENERACION Y REMOCIÓN DE CALOR
Para establecer un balance de energía debemos tener en cuenta el calor que entra al reactor con el flujo de reactivos y el calor que sale del reactor con los productos. De otra parte, la reacción genera o absorbe calor según la reacción sea exotérmica o endotérmica, Además, el calor puede ser transferido a través de las paredes.
En reactor CSTR la temperatura dentro del reactor será igual a la temperatura de salida del reactor, pero en cualquier otro tipo de reactor la temperatura y la conversión son función de la posición en el reactor o del tiempo de reacción.
5.4 FORMA GENERAL DEL BALANCE DE ENERGÍA
La forma general del balance de energía (primera ley de la termodinámica) para un volumen de control sujeto a las siguientes suposiciones:
• El trabajo de eje tiene un valor despreciable frente a las demás formas de energía.
• El sistema carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimiento y de tensión superficial.
• La energía cinética y la energía potencial poseen valores despreciables frente a las demás formas de energía.
• El trabajo w que entra al volumen de control desde los alrededores es despreciable.
Teniendo en cuenta las anteriores suposiciones, un balance general de energía se planteara en los siguientes términos:
[Entradas] - [Salidas] + [Generación] - [Consumo] = [Acumulación]
Se debe tener en cuenta que cada término tiene unidades de energía en la unidad de tiempo.
El calor de reacción se tiene en cuenta en los términos de generación, si la reacción es exotérmica, o de consumo si la reacción es endotérmica.
Dividiendo por y tomando límites y , obtenemos la expresión:
Si tomamos y reemplazamos en la expresión anterior, se obtiene:
A continuación se contemplan varios casos:
1. REACTOR POR LOTES ADIABATICO.
El balance de energía se reduce a la siguiente expresión:
Del balance de materia se sabe que:
Reemplazando en la ecuación de balance de energía, se obtiene:
Integrando:
Si se conoce la masa contenida en el reactor y la capacidad calorífica por unidad de masa, la ecuación de balance de energía se podría escribir como:
Se debe resolver en forma simultánea la ecuación del balance de energía y la ecuación dada del balance de materia para obtener el tiempo de reacción:
2. REACTOR POR LOTES CON Q= Constante.
Integrando el balance de energía queda:
Al resolver esta ecuación junto con el balance de masa se obtiene el tiempo de reacción.
Ejemplo:
Se ha estudiado la descomposición en fase liquida de A:
Los datos experimentales obtenidos en un rango de temperatura de 295 a 340 ºC indican que la reacción es de primer orden.
La energía de activación E= 44500 cal/gmol y el coeficiente cinético esta dado por la expresión:
a. Si un reactor batch contiene 500 libras de solución a 340ºC (ρ=0,9 g/cm3), para una operación adiabática trazar las curvas de conversión y temperatura vs tiempo. Se estima que el calor de la reacción es de 15000 cal/gmol de A que ha reaccionado. La concentración de A en la solución cargada es de 0,026 mol/ml.
Se puede asumir que la capacidad calorífica de la mezcla reactiva permanece constante (CPm= 0,6 Btu/LbºF)
b. Si en lugar de operar adiabáticamente se añade energía en forma de calor a velocidad constante, Q= 3000 Btu/min. Cuáles serán las curvas de conversión y temperatura vs tiempo?
c. Qué tipo de operación recomienda y por qué?
d. En qué porcentaje aumenta el tiempo necesario para obtener una conversión del 50 %?
viernes, 17 de diciembre de 2010
viernes, 12 de noviembre de 2010
INGENIERIA POLICIACA
"PROBLEMA DE INGENIERÍA POLICIACA"
Pepe Carvalho y su acompañante, un joven ingeniero químico, se encuentran en el área de proceso de una planta industrial del cinturón barcelonés.
CARVALHO: Dice vd. que la última vez que se le ha visto estaba vigilando esta "tinaja"...
Sr. PONS: Querrá vd. decir "reactor de tanque agitado" inspector.
CARVALHO: Debe disculpar mi ignorancia con respecto a la jerga técnica, Sr. Pons, por eso ha venido este joven amigo conmigo.
Sr. PONS: Discúlpeme a mí inspector, pero por favor ayúdenos a encontrar a Embebut. Ultimamente se comportaba de un modo muy extraño, miraba fijamente el interior del reactor respirando profundamente y relamiéndose los labios. Era uno de nuestros mejores trabajadores; desde que falta la conversión del "googliox" ha descendido del 80 al 75%.
CARVALHO (golpeando perezosamente el tanque): A propósito, ¿qué ocurre dentro de la tinaja?.
Sr. PONS (dirigiéndose preferentemente al joven): Una reacción de 2º orden entre etanol y googliox... Por supuesto con un gran exceso de alcohol, en una proporción de 100 a 1, y ...
CARVALHO (interrumpiéndole): Hemos investigado su paradero en la ciudad, y no hemos encontrado ningún rastro.
Sr. PONS (visiblemente emocionado): Si regresara Embebut, le aumentaríamos un poco el sueldo y ...
EL JOVEN: Discúlpeme! ¿puedo hacer una pregunta? ¿qué capacidad tiene el tanque?.
Sr. PONS: 450 litros, y siempre le mantenemos lleno hasta el borde, a plena carga, que resulta, como vd. sabrá, lo más provechoso. Por eso le llamamos también reactor de rebosadero.
CARVALHO: Bien, muchacho, hemos de admitir que estamos en un atolladero, no disponemos de pistas aprovechables.
EL JOVEN: No lo creo Pepe. (Volviéndose hacia el gerente) Embebut era muy corpulento, ¿pesaba unos 110 Kg, verdad?.
Sr. PONS (con sorpresa): Efectivamente, ¿como lo sabe?.
CARVALHO (con sorpresa también): Asombroso, mi querido joven.
EL JOVEN (modestamente): Elemental, Pepe. Tenemos todas las pruebas para deducir lo que ha sucedido ...
Con el inspector y el gerente esperando impacientemente, el joven se apoyó en la tinaja, saco lentamente un cigarrillo, y con perfecto sentido de lo dramático, lo encendió ...
¿Que iba a manifestar, de un momento a otro el joven, y como llego a dicha conclusión?
¿Porqué nunca llegó a hacerlo?.
"INVESTIGACIÓN Y SOLUCIÓN TÉCNICA":
La reacción: Etanol + Googliox, es de 2º orden, pero con un gran exceso del primer reactivo (CoE/CoG= 100), por lo que la concentración del mismo permanecerá casi constante y la ecuación de velocidad puede aproximarse a un pseudo-primer orden:
v= kCECG= k(CoE CoGx)CoG(1 x)= kCoECoG(1 x)= k'CoG(1 x)
donde x es la conversión que, para un reactor continuo agitado, viene dada (como saben los de 3º de química industrial) por:
t=V/Vo= CoGx/v, y con las anteriores: x/(1 x)= k'V/Vo
Con esto, las posibles causas de un descenso de conversión podrían ser:
- descenso de la temperatura (que afectaría a la constante cinética k´): pero ello hubiera sido muy fácilmente advertido con el termómetro del reactor.
- aumento del caudal de alimentación (Vo): pero también fácil de detectar con el medidor de flujo.
- descenso del volumen del reactor: V=450 dm3, y tras el "incidente" se ha observado un descenso de conversión desde x=0.80 hasta x´=0.75; por tanto, si descartamos la temperatura y el caudal, que permanecerían constantes, el nuevo volumen que explicaría la conversión anómala es:
[x/(1 x)]/[x'/(1 x')]=V/V'; [0.80/(1 0.80)]/[0.75/(1 0.75)]=450/V'
i.e. V'= 337,5 dm3, lo que representa un descenso del volumen útil del tanque de: V V'= 112,5 dm3, que equivaldría a una masa de unos 110 Kg (con una densidad próxima a la unidad que es la que tiene el cuerpo humano).
Parece evidente que Embebut cayó y aún se encuentra dentro del reactor. Por otra parte, nuestro joven -aunque sobradamente preparado- ingeniero (JASPI), olvidó que en una planta química, y especialmente dentro del área de proceso, no se debe fumar!.
Pepe Carvalho y su acompañante, un joven ingeniero químico, se encuentran en el área de proceso de una planta industrial del cinturón barcelonés.
CARVALHO: Dice vd. que la última vez que se le ha visto estaba vigilando esta "tinaja"...
Sr. PONS: Querrá vd. decir "reactor de tanque agitado" inspector.
CARVALHO: Debe disculpar mi ignorancia con respecto a la jerga técnica, Sr. Pons, por eso ha venido este joven amigo conmigo.
Sr. PONS: Discúlpeme a mí inspector, pero por favor ayúdenos a encontrar a Embebut. Ultimamente se comportaba de un modo muy extraño, miraba fijamente el interior del reactor respirando profundamente y relamiéndose los labios. Era uno de nuestros mejores trabajadores; desde que falta la conversión del "googliox" ha descendido del 80 al 75%.
CARVALHO (golpeando perezosamente el tanque): A propósito, ¿qué ocurre dentro de la tinaja?.
Sr. PONS (dirigiéndose preferentemente al joven): Una reacción de 2º orden entre etanol y googliox... Por supuesto con un gran exceso de alcohol, en una proporción de 100 a 1, y ...
CARVALHO (interrumpiéndole): Hemos investigado su paradero en la ciudad, y no hemos encontrado ningún rastro.
Sr. PONS (visiblemente emocionado): Si regresara Embebut, le aumentaríamos un poco el sueldo y ...
EL JOVEN: Discúlpeme! ¿puedo hacer una pregunta? ¿qué capacidad tiene el tanque?.
Sr. PONS: 450 litros, y siempre le mantenemos lleno hasta el borde, a plena carga, que resulta, como vd. sabrá, lo más provechoso. Por eso le llamamos también reactor de rebosadero.
CARVALHO: Bien, muchacho, hemos de admitir que estamos en un atolladero, no disponemos de pistas aprovechables.
EL JOVEN: No lo creo Pepe. (Volviéndose hacia el gerente) Embebut era muy corpulento, ¿pesaba unos 110 Kg, verdad?.
Sr. PONS (con sorpresa): Efectivamente, ¿como lo sabe?.
CARVALHO (con sorpresa también): Asombroso, mi querido joven.
EL JOVEN (modestamente): Elemental, Pepe. Tenemos todas las pruebas para deducir lo que ha sucedido ...
Con el inspector y el gerente esperando impacientemente, el joven se apoyó en la tinaja, saco lentamente un cigarrillo, y con perfecto sentido de lo dramático, lo encendió ...
¿Que iba a manifestar, de un momento a otro el joven, y como llego a dicha conclusión?
¿Porqué nunca llegó a hacerlo?.
"INVESTIGACIÓN Y SOLUCIÓN TÉCNICA":
La reacción: Etanol + Googliox, es de 2º orden, pero con un gran exceso del primer reactivo (CoE/CoG= 100), por lo que la concentración del mismo permanecerá casi constante y la ecuación de velocidad puede aproximarse a un pseudo-primer orden:
v= kCECG= k(CoE CoGx)CoG(1 x)= kCoECoG(1 x)= k'CoG(1 x)
donde x es la conversión que, para un reactor continuo agitado, viene dada (como saben los de 3º de química industrial) por:
t=V/Vo= CoGx/v, y con las anteriores: x/(1 x)= k'V/Vo
Con esto, las posibles causas de un descenso de conversión podrían ser:
- descenso de la temperatura (que afectaría a la constante cinética k´): pero ello hubiera sido muy fácilmente advertido con el termómetro del reactor.
- aumento del caudal de alimentación (Vo): pero también fácil de detectar con el medidor de flujo.
- descenso del volumen del reactor: V=450 dm3, y tras el "incidente" se ha observado un descenso de conversión desde x=0.80 hasta x´=0.75; por tanto, si descartamos la temperatura y el caudal, que permanecerían constantes, el nuevo volumen que explicaría la conversión anómala es:
[x/(1 x)]/[x'/(1 x')]=V/V'; [0.80/(1 0.80)]/[0.75/(1 0.75)]=450/V'
i.e. V'= 337,5 dm3, lo que representa un descenso del volumen útil del tanque de: V V'= 112,5 dm3, que equivaldría a una masa de unos 110 Kg (con una densidad próxima a la unidad que es la que tiene el cuerpo humano).
Parece evidente que Embebut cayó y aún se encuentra dentro del reactor. Por otra parte, nuestro joven -aunque sobradamente preparado- ingeniero (JASPI), olvidó que en una planta química, y especialmente dentro del área de proceso, no se debe fumar!.
viernes, 15 de octubre de 2010
CARACTERISTICAS DE LOS REACTORES SEMICONTINUOS
Las características de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Son reactores tipo tanque con agitación.
b) Operan a régimen inestable.
Una consideración que generalmente se toma en este tipo de reactores es la de suponer que la mezcla está bien agitada. Con lo cual estamos considerando un comportamiento ideal.
Algunas ventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Su operación es semicontinua.
b) Se puede tener un buen control de la temperatura.
c) La concentración de uno de los reactantes se puede mantener baja.
Algunas desventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Producción pequeña.
b) Alto costo de operación.
El reactor semicontinuo se utiliza en los siguientes casos:
a) Para reacciones homogéneas en fase liquida.
b) Para reacciones muy exotérmicas.
c) Cuando se debe tener una concentración baja de uno de los reactantes.
En la siguiente sección se desarrollara un caso particular para estos reactores semicontinuos
a) Son reactores tipo tanque con agitación.
b) Operan a régimen inestable.
Una consideración que generalmente se toma en este tipo de reactores es la de suponer que la mezcla está bien agitada. Con lo cual estamos considerando un comportamiento ideal.
Algunas ventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Su operación es semicontinua.
b) Se puede tener un buen control de la temperatura.
c) La concentración de uno de los reactantes se puede mantener baja.
Algunas desventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Producción pequeña.
b) Alto costo de operación.
El reactor semicontinuo se utiliza en los siguientes casos:
a) Para reacciones homogéneas en fase liquida.
b) Para reacciones muy exotérmicas.
c) Cuando se debe tener una concentración baja de uno de los reactantes.
En la siguiente sección se desarrollara un caso particular para estos reactores semicontinuos
CARACTERISTICAS DE LOS CSTR
Las características principales de este tipo de reactores son las siguientes:
a) La reacción química se desarrolla en un sistema abierto.
b) Los reactantes se añaden continuamente y la mezcla reactiva se extrae en forma continua.
c) Operan en régimen estable.
Se considera que la mezcla reactiva está bien agitada haciendo que tanto la presión, como la composición y la temperatura sean las mismas en cualquier parte del reactor.
Algunas ventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores por lotes.
b) Su operación es continua.
c) Se facilita el control automático de la producción.
d) Se tiene una sola temperatura en el sistema de reacción.
Algunas desventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Su costo inicial es alto.
b) Para tiempos de residencia muy altos su tamaño también será alto.
c) En general son menos eficientes que un reactor tubular.
Algunos casos en los cuales suelen utilizarse son los siguientes:
a) Generalmente para líquidos.
b) Cuando se desea una operación continua
c) Para reacciones ligeramente endotérmicas o exotérmicas
a) La reacción química se desarrolla en un sistema abierto.
b) Los reactantes se añaden continuamente y la mezcla reactiva se extrae en forma continua.
c) Operan en régimen estable.
Se considera que la mezcla reactiva está bien agitada haciendo que tanto la presión, como la composición y la temperatura sean las mismas en cualquier parte del reactor.
Algunas ventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores por lotes.
b) Su operación es continua.
c) Se facilita el control automático de la producción.
d) Se tiene una sola temperatura en el sistema de reacción.
Algunas desventajas de este tipo de reactores son las siguientes:
a) Su costo inicial es alto.
b) Para tiempos de residencia muy altos su tamaño también será alto.
c) En general son menos eficientes que un reactor tubular.
Algunos casos en los cuales suelen utilizarse son los siguientes:
a) Generalmente para líquidos.
b) Cuando se desea una operación continua
c) Para reacciones ligeramente endotérmicas o exotérmicas
CARACTERISTICAS DE LOS REACTORES DE MEMBRANA
Los reactores catalíticos de membrana permiten elevar el rendimiento de las reacciones que son altamente reversibles dentro de un rango de temperaturas de interés. Este término se utiliza para describir diferentes tipos de reactores que contienen una membrana. La membrana puede interponer una barrera a ciertos componentes al tiempo que deja pasar a otros, evitando que ciertos componentes como material en partículas entre en contacto con el catalizador, o contener sitios reactivos y ser un catalizador ella misma. El reactor de membrana es otra técnica para empujar las reacciones reversibles hacia la derecha con el fin de alcanzar conversiones muy altas. Esas conversiones altas se pueden lograr haciendo que uno de los productos de la reacción se difunda hacia el otro lado de una membrana semipermeable que rodea a la mezcla de reacción. El resultado es que la reacción sigue avanzando hacia la derecha hasta terminar. En la siguiente sección presentaremos un caso específico.
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