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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.