2do trabajo de cinetica

7/30/2019 2do Trabajo de Cinetica

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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

RAFAEL MARA BARALT

PROGRAMA DE INGENIERA Y TECNOLOGAPROYECTO INGENIERA DE GAS

CIUDAD OJEDA- EDO ZULIA

Reactores Ideales.Autores:

Edgar Goovido C.I: 19.857.373

Patricia Gonzlez C.I: 19.574.156

Joselin Obando C.I: 24.262.623

Yoselin Ordaz C.I: 22.246.792

Flix Romero C.I: 19.028.700

Prof.: Mara Prela

Ciudad Ojeda, 26 de Noviembre de 2012


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Esquema.

Introduccin

1. Tipos de reactores ideales:

Reactores discontinuos Reactores de flujo en pistn

Reactores de mezcla completa.

Clasificacin de los reactores:

Tiempo de permanencia y tiempo espacial.

2. Comparacin entre el reactor mezcla completa y el flujo pistn

para reacciones de primer y segundo orden

3. Sistema de reactores mltiples: reactores de flujo pistn enparalelo en serie.

4. Catlisis:

Principios bsicos

Catlisis en sistemas homogneos y heterogneos.


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Introduccin.

Un reactor no es ms que una operacin bsica en la que tiene lugar

un cambio qumico, es decir rotura y formacin de enlaces covalentes.

Como consecuencia de ello, en un reactor se produce una

transformacin de uno o varios reactivos en uno o varios productos. Si

el reactor funciona en discontinuo -es decir un periodo de carga, otro de

reaccin y un ltimo perodo de descarga- la concentracin de las

diversas especies ir variando con el tiempo. Si adems existen

gradientes de concentracin en el seno del reactor el anlisis del

funcionamiento del reactor se convierte en una empresa, sinoimposible, s al menos bastante compleja. Adems, si la reaccin tiene

lugar en un medio heterogneo, la presencia de ms de una fase y la

necesidad de considerar el contacto interfacial, etapas de difusin

todava complican ms el clculo cintico.

El diseo de un reactor, de forma simplificada, implica esencialmente

la determinacin del tamao necesario (volumen de reactor) para

obtener una cierta cantidad de producto en unas condiciones precisas.

Para facilitar el estudio, en adelante se analizarn reactores

homogneos, es decir, en los que solo exista un fluido formando una

nica fase homognea. El reactor ms fcil de disear es aquel que

funciona en condiciones ideales. Un reactor continuo ideal no es ms

que aquel que sigue un modelo de flujo ideal.


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1. Tipos de reactores:

Son aquellos en los que el tipo de flujo es ideal (terico). Se

distinguen dos tipos, el reactor de mezcla perfecta y el reactor de

flujo en pistn.

Reactores discontinuos: es el reactor en que su contenido esta

perfectamente agitado y su composicin es igual en todo el

reactor. La composicin vara con el tiempo hasta alcanzar una

conversin final o de equilibrio del reactivo para las condiciones

establecidas (temperatura, concentraciones iniciales de

reactivos, presencia de inertes). una vez detenida la reaccin(velocidad de reaccin tendiente a cero), se debe vaciar total o

parcialmente el reactor e incorporar nueva corriente de entrada si

se quiere seguir produciendo productos de reaccin.

Reactor de flujo pistn: en los reactores de flujo pistn

isotrmicos la temperatura no vara con la posicin en el reactor.

Adems, no vara con el tiempo por tratarse de un reactor de

flujo pistn en estado estacionario. La velocidad de reaccin ser

slo funcin de la conversin (o de la concentracin) En realidad

los reactores de flujo en pistn son reactores tubulares que

tienen la particularidad de que en ellos se supone que no existe

retromezcla (backmixing) y que cada porcin de corriente de

entrada que ingresa no se mezcla para nada con su inmediata

posterior, la composicin de cada diferencial de volumen va

variando respecto a la longitud del reactor. Diseo de la

ecuacin:

Reactor de mezcla perfecta: la composicin de la corriente de

salida es igual a la composicin dentro de cualquier punto del


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reactor, esta composicin no vara en el tiempo, por lo que se

considera en estado estacionario. Este tipo de reactores son

ideales para estudios cinticos o de diseo experimental de

reactores puesto que son de sencilla construccin en ellaboratorio y adems en su clculo de diseo ofrecen la

posibilidad de relacionar el grado de conversin requerido (X), la

velocidad de reaccin(r), el volumen (V) y las concentraciones

iniciales de reactivos (Co), todo en una expresin resultante de

un balance de masa, sin necesidad de integrar, puesto que el

reactor se halla en estado estacionario respecto a la posicin

dentro del reactor y con respecto al tiempo. Diseo de laecuacin:

Clasificacin de reactores:

Fases: existen varios criterios a la hora de clasificar a los

reactores qumicos. En funcin del nmero de fases presentes

en el reactor, pueden distinguirse:

- Reactores homogneos: Son aquellos en los que tanto

reaccionantes como productos se encuentran en la misma fase

(gas, o lquido en general)

- Reactores heterogneos: Son aquellos en los que hay ms de

una fase.

Forma en la que operan: tambin pueden clasificarse segn la

forma en la que operan:- Reactores continuos: Son aquellos que trabajan en estado

estacionario; es decir, aquellos en que en cada instante se

introduce alimentacin fresca.


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- Reactores discontinuos: trabajan por lotes; es decir, se carga

una cantidad de alimentacin y se deja reaccionar durante un

tiempo. Una vez transcurrido el tiempo de reaccin se carga de

nuevo otra cantidad de alimentacin, y as sucesivamente.- Reactores semicontinuos: Una fase del reactor se comporta

de forma continua mientras que otra lo hace de forma

discontinua.

Tiempo de permanencia y tiempo espacial:

(TR) es un parmetro utilizado en reactores continuos que

expresa el tiempo necesario para tratar un volumen de corrientede alimentacin igual al volumen del reactor. Se calcula

fcilmente en un reactor ideal dividendo el volumen del reactor

por el caudal de reactivos que entra al reactor. Su inversa es la

velocidad espacial.

El tiempo espacial es un parmetro muy importante en el

diseo de reactores, pues representa el tiempo promedio que los

reactivos van a permanecer en el interior del reactor en

condiciones de rgimen estacionario, y por tanto la conversin

que se alcanzar en el sistema. En un reactor ideal de flujo

pistn todas las molculas de reactivo permanecern el mismo

tiempo en el reactor, puesto que avanzan como un mbolo en la

corriente a travs del reactor tubular. En un reactor ideal de

mezcla perfecta, dado que la mezcla en el interior del reactor es

instantnea, algunas molculas de reactivo permanecern muy

poco tiempo en el reactor al alcanzar la salida muy rpido, perootras realizarn mltiples movimientos al azar en el interior hasta

dar con la salida, permaneciendo mucho ms tiempo en el

reactor.


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2. Comparacin entre el reactor mezcla completa y el flujopistn para reacciones de primer y segundo orden:

La relacin de tamaos entre los reactores de mezcla completa y

los de flujo pistn, para un fin determinado, depende de la extensin

de la reaccin, de la estequiometria, y de la forma de la ecuacin

cintica. En el caso general, la comparacin de las ecuaciones para

flujos de mezcla completa y para reactores de flujo pistn nos da la

relacin de tamaos. Vamos hacer esta comparacin para el amplio

tipo de reacciones que se ajustan aproximadamente a la ecuacin

cintica de orden n:

En la que n vara desde cero hasta tres, para el flujo de mezcla

completa:

Para reactores de flujo pistn:

Dividiendo miembro a miembro ambas ecuaciones nos queda deesta forma:


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Si la densidad permanece constante, o sea si = 0, integrando

resulta:

O bien;

Al comparar los diseos de reactores de mezcla completa y el de

flujo pistn, para cualquier cintica de reaccin, tenemos:


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Si representamos el cociente tmp/tfp , frente a (1-XA) para distintos

rdenes de reaccin y factores eA, obtenemos la siguiente figura:

Comparacin del diseo de un reactor de mezcla completa y un reactorde flujo en pistn para la reaccin de orden n. A productos, -rA=kCA

n

La ordenada ser la relacin de volmenes Vm/Vp o de tiemposespeciales tm/ tp si se emplean las mismas cantidades de idnticaalimentacin. Como podemos observar en la grfica esta relacin est

siempre por encima de la unidad. Para cualquier orden (siempre quen>0) siempre se cumple que Vmp>Vfp.Para conversiones pequeas(zona cercana a la unidad del eje x) la relacin de volmenes escercana a la unidad. Si la conversin es grande, la relacin es cercanaa 100.


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As que se deduce lo siguiente:

Para cualquier fin determinado y para todos los rdenes positivosde reaccin, el reactor de mezcla completa siempre es mayor

que el de flujo pistn. La relacin de volmenes aumenta con elorden y para las reacciones de orden. Cuando la conversin es pequea el comportamiento slo se ve

afectado ligeramente por el tipo de flujo, la relacin devolmenes tiende a uno cuando la conversin tiende a cero. Estarelacin aumenta rpidamente cuando la conversin es alta; porconsiguiente, si la conversin ha de ser alta ser muy importanteconocer la representacin adecuada del tipo de flujo.

La variacin de densidad durante la reaccin afectara al diseo;sin embargo, general, su importancia es secundaria en

comparacin con la de distintos tipos de flujo. La expansin (odisminucin de densidad) durante la reaccin hace que aumentela relacin de volmenes (disminuye la eficacia del reactor demezcla completa respecto del de flujo pistn)

3. Sistema de reactores mltiples: reactores de flujo pistn en

paralelo en serie:

El reactor de flujo en pistn supone un mezclado completo en la

direccin radial, pero no permite ninguna difusin en direccin del

flujo lo que quiere decir que no hay agitacin. Como resultado, los

perfiles de velocidad, temperatura y composicin son planos en

cualquier rea transversal perpendicular al flujo, pero la composicin

vara a lo largo de la trayectoria de flujo. Es decir, se caracterizan

por un gradiente continuo de concentraciones en la direccin del

flujo, en contraste con el gradiente escalonado caracterstico de los

reactores CSTR, y estn constituidos por uno o varios conductos o

tubos en paralelo.

Los reactivos entran continuamente por un extremo y los

productos salen por el otro. Normalmente se alcanza el estado


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estacionario, lo que significa una gran ventaja para el control

automtico y para el trabajo experimental. Es tan comn la

disposicin horizontal como la vertical.

Un nmero determinado de reactores con flujo en pistn

conectados en serie, que representa un volumen total V conectados

en serie, permiten el mismo grado de conversin que el que se

obtiene con un solo reactor de tamao V

Volumen de reactores para obtener conversin mxima en

paralelo:

Supngase que se tiene dos reactores de flujo pistn en paralelo

y que adems . A partir de las ecuaciones de diseo se

obtiene la relacin de volmenes necesaria.

La relacin es:

Para el caso de dos reactores de mezcla perfecta en paralelo


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Resulta la siguiente expresin:

4. Catlisis: es el proceso a travs del cual se incrementa la

velocidad de una reaccin qumica. El proceso de catlisis

implica la presencia de una sustancia que, si bien es cierto, es

parte del sistema en reaccin, la misma se puede llevar a cabo

sin la primera. Esta sustancia se llama catalizador. Un

catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una

reaccin, reaccionando, regenerndose y que puede ser

recuperado al final de la reaccin (el catalizador se fragmenta en

pequeas partculas para acelerar el proceso). Si retarda la

reaccin, se llama inhibidor. Existen:

Catalizadores negativos (Inhibidores): Reducen la velocidad de

reaccin.

Catalizadores positivos (Promotores): Aumentan la velocidad de

reaccin.

Venenos catalticos: Desactivan la velocidad de reaccin.


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El termino catlisis agrupa al conjunto de procedimientos y

conocimientos que permiten que la velocidad con la que

trascurre una reaccin se incremente in-situ. Bajo tal condicin la

catlisis es una rama de la cintica qumica

Principios bsicos de la catlisis: Los catalizadores

generalmente reaccionan con uno o ms de los reactivos para

formar productos intermedios que, posteriormente, conducen al

producto final de reaccin. En el proceso se regenera el

catalizador. El siguiente esquema es tpico de una reaccin

cataltica, donde C representa el catalizador, X e Y son reactivos,

y Z es el producto de la reaccin de X e Y:

X + C XC (1)

Y + XC XYC (2)

XYC CZ (3)

CZ C + Z (4)

Aunque el catalizador es consumido por la reaccin 1,

posteriormente es producido por la reaccin 4, por lo que la

reaccin global es:

X + Y Z

Como el catalizador se regenera en una reaccin, a menudo

slo se necesitan pequeas cantidades para incrementar la

velocidad de la reaccin. Sin embargo, en la prctica los

catalizadores son algunas veces consumidos en procesossecundarios.

Catlisis en sistemas homogneos y heterogneos:


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La catlisis homognea: es aquella catlisis en la que los

catalizadores estn en la misma fase que los reactivos. Actan

cambiando el mecanismo de reaccin. Es decir, se combinan con

alguno de los reactivos para formar un intermedio inestable. stea su vez se combina con ms reactivo dando lugar a la formacin

de los productos, al mismo tiempo que se regenera el

catalizador.

Normalmente los catalizadores homogneos estn disueltos

en un disolvente con los sustratos. Un ejemplo de catlisis

homognea implica la influencia de H+ en la esterificacin de los

steres, por ejemplo, acetato de metilo a partir del cido actico

y el metanol. Para los qumicos inorgnicos, la catlisis

homognea es a menudo sinnimo decatalizadores

organometlicos

La catlisis heterognea: son aquellos que actan en una

fase diferente que los reactivos. La mayora de los catalizadores

heterogneos son slidos que actan sobre sustratos en una

mezcla de reaccin lquida o gaseosa. Se conocen diversos

mecanismos para las reacciones en superficies, dependiendo de

cmo se lleva a cabo la adsorcin (Langmuir-Hinshelwood, Eley -

Rideal, y Mars-van Krevelen).8 El rea superficial total del slido

tiene un efecto importante en la velocidad de reaccin. Cuanto

menor sea el tamao de partcula del catalizador, mayor es el

rea superficial para una masa dada de partculas.

Por ejemplo, en el proceso de Haber, el hierro finamente

dividido sirve como un catalizador para la sntesis de amonaco a

partir de nitrgeno e hidrgeno. Los gases reactantes se

adsorben en los "sitios activos" de las partculas de hierro. Una


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vez adsorbidos, los enlaces dentro de las molculas

reaccionantes se resienten, y se forman nuevos enlaces entre los

fragmentos generados, en parte debido a su proximidad. De esta

manera el particularmente fuerte triple enlace en el nitrgeno sedebilita y los tomos de hidrgeno y nitrgeno se combinan ms

rpido de lo que lo hara el caso en la fase gaseosa, por lo que la

velocidad de reaccin aumenta.

Los catalizadores heterogneos suelen estar "soportados",

que significa que el catalizador se encuentra disperso en un

segundo material que mejora la eficacia o minimiza su costo. A

veces el soporte es ms que una superficie sobre la que se

transmite el catalizador para aumentar el rea superficial. Ms a

menudo, el soporte y el catalizador interactan, afectando a la

reaccin cataltica.

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