Diseo de Reactores

Ingeniera de las reacciones QumicasGustavo E Ramirez Caballero

Diseo de ReactoresChemical reactor design and control, William L. Luyben

DISEO DE REACTORESDiseo de ReactoresEs el corazn de virtualmente todo proceso qumico. Separa el ingeniero qumico de otro ingeniero.Algunas industrias basadas en la ingeniera de las reacciones qumicas:

3M, Air Liquide USA, Arkema, BP Global, Dow Chemical, DuPont, Sunoco, Merck, NOVA Chemmicals..

DISEO DE REACTORES

DISEO DE REACTORESDISEO

REACTORCampo que estudia las velocidades y mecanismos de las reacciones qumicas y el diseo de los reactores donde ellas ocurren

DISEOCrear una solucin prctica para alcanzar un propsito, con restricciones.Diseo de Reactores

CREAR UNA SOLUCIN PRACTICAEspecificar:Diseo de ReactoresTipoTamaoFormaMaterialesCondiciones: flujo, T, P, CiManual de operacinEstrategia de control

PROPSITOConversin de reactivos a productos A BaA + BbcC i Ai = 0

Diseo de Reactores

RESTRICCIONESNATURALES:Diseo de ReactoresEXTERNAS:Reaccin qumicaTermodinmicaCintica.SeguridadAmbientalesLegalesEconmicas.

SELECCIN DEL REACTORDiscontinuo

CSTR

Tubular

OtroDiseo de Reactores

TAMAO, FORMA, CONDICIONES, CONTROL, OPERACINMODELO MATEMTICO

MODELO FSICODiseo de Reactores

MODELO FSICOMODELO MATEMTICORESOLUCIN MODELO MATEMTICOINTERPRETACINMODELO MATEMTICO

MODELO MATEMTICOECUACIONES DE CAMBIO

ECUACIONES CONSTITUTIVAS

RESTRICCIONESDiseo de Reactores

ECUACIONES DE CAMBIOCONTINUIDAD

MOVIMIENTO

ENERGADiseo de Reactores

CINTICAS

DE ESTADO

REOLGICAS

EQUILIBRIO

Diseo de ReactoresECUACIONES CONSTITUTIVAS

CONDICIONES LMITES

CONDICIONES DE FRONTERA

CONDICIONES DE OPERACIN

Diseo de ReactoresRESTRICCIONES

Diseo de ReactoresFundamentos de la cintica y equilbrio de las reaccionesEntender los fundamentos sobre la velocidad de las reacciones qumicas y el equilbrio qumico. El efecto de la temperatura en la velocidad de reaccin y el equilbrio para diferentes reacciones.

Las reacciones son generalmente categorizadas como: exotrmicas, endotrmicas, reversibles, irreversibles, homogneas y heterogneas.

Diseo de ReactoresPor experiencia: En la velocidad de la reaccin influye la composicin y la energa del materialSegun esta teora, de que depende la velocidad de reaccin?Se determina experimentalmenteVelocidad de la reaccinconcentracinReaccin no reversible:Fundamentos de la cintica y equilbrio de las reacciones

Diseo de ReactoresEcuacin de Arrhenius:Factor pre-exponencialEnerga de activacinTemperaturaNmero positivo grande

Diseo de Reactores

Diseo de ReactoresHacer click

Ir a: www.scilab.org

La velocidad de reaccin aumenta con la temperatura; y a mayor energa de activacin, ms sensible es la velocidad especfica de reaccin a un cambio de temperatura.Reaccin reversible:Diseo de Reactores

Diseo de ReactoresEn equilbrio?La constante de equilbrio solo depende de la temperatura!!

Diseo de ReactoresLa constante de equilbrio de una reaccin exotrmica reversible decrece cuando la temperatura se incrementaEcuacin de Vant Hoff

Diseo de ReactoresCintica de reacciones heterogeneasLas expresiones tipo Arrhenius son usadas frecuentemente en reacciones homogeneas. Sin embargo, muchas reacciones ocurren entre especies que estan en diferentes fases.La cintica del proceso se describe por medio de resistencias.Reaccin irreversible que ocure en fase gaseosa en presencia de un catalizador solido

Diseo de Reactores1. El reactivo A debe moverse de su estado normal en el gas a la superficie del catalizador2. El reactivo A debe difundirse desde la superficie del catalizador por los poros del material hasta un sitio activo donde se adsorbe sobre la superficie.

Diseo de Reactores3. Transformacin qumica del reactivo A al producto B.4. El producto B se desorbe y se difunde desde el sitio activo por los poros del material hasta la superficie del catalizador.5. El producto B debe moverse de la superficie del cataliador a su estado normal en el gas.

Diseo de Reactores2. El reactivo A debe difundirse desde la superficie del catalizador por los poros del material hasta un sitio activo donde se adsorbe sobre la superficie.Presin parcial de AConcentracin de sitios activos disponiblesConcentracin de sitios activos ocupadosNmero total de sitios activosFraccin total de sitios ocupados por moleculas adsorbidas.

Diseo de Reactores

Diseo de ReactoresEjercicio 2.

A medida que la constante de equilbrio se incrementa a una presin dada, se incrementa la fraccin de la superficie cubierta hasta un valor de 1.

A medida que la presin aumenta la fraccin de superficie cubierta aumenta.

Va a llegar un punto en que la superficie esta totalmente cubierta por A y el incremento de la presin de A va a tener poco efecto en la cantidad que va a ser adsorbida y en la velocidad de la reaccin que esta ocurriendo. Diferencia fundamental con las reacciones homogneas en las que el incremento de la concentracin casi siempre resulta en un incremento en la velocidad de reaccin

Diseo de ReactoresConsiderando la reaccin irreversible Los dos componentes gaseosos la reaccin ocurre en un catalizador slidoConsiderando tres pasos del mecanismo:1. Adsorcin del reactivo A sobre la superficie.reversible2. Transformacin qumica del reactivo A al producto B.Se asume que el segundo paso es el mas lentoirreversible3. El producto B se desorbe de la superficie.reversible

Diseo de ReactoresSe asume que el segundo paso es el mas lentoApesar que la reaccin qumica es irreversible, se observa que la velocidad de reaccin depende de la presin parcial de B

Diseo de Reactores

Diseo de Reactores

Diseo de ReactoresCintica de los reactores bioqumicosS: sustrato, alimento (nutrientes)X: clulasP: producto orgnico, secrecinEstequiometra?

Diseo de ReactoresCaudal de entradaConcentracin de sustratoHomogneo, densidad constante, isotrmicoComo la reaccin bioqumica y estequiometria de la reaccin generalmente no se conocen, la cintica de la reaccin es emprica. Modelo cintico de Monad Velocidad de crecimiento de las clulasConcentracin de clulasCrecimiento especfico de las clulasConcentracin del sustratoConstante igual al sustrato cuando el crecimiento es la mitad del valor mximo

Diseo de Reactores

Diseo de ReactoresReacciones mltiplesReacciones Paralelas:Reactor batchAsumiendo cintica de primer orden:

Diseo de Reactores

Diseo de ReactoresReacciones en serie:Reactor batchAsumiendo cintica de primer orden:

Diseo de Reactores

Diseo de ReactoresReactor CSTRSe asume que el lquido en el reactor est mezclado perfectamente (no hay gradientes en las propiedades temperatura o concentracin, ni axial, radial o angular)

La concentracin dentro del reactor es la misma de los productos.Conversin:La concentracin del reactivo es inversamente proporcional a la convercin:Si se desea alta conversin, la concentracin de los reactivos debe ser pequea, pero la velocidad de reaccin depende directamente de la concentracin de los reactivosCaractersticas:

Gran variedad de configuraciones puede ser usadas para transferir calor.

La temperatura del alimento puede ser usada para controlar la temperatura del reactor pero es menos importante que en un reactor tubular.

Conversin es la fraccin de reactivo que es alimentado al reactor que reacciona en el reactor. En nivel de conversin en un CSTR tiene un impacto significativo en su estabilidad y controlabilidad.

Diseo de ReactoresReactor BatchCaractersticas:

El proceso varia con el tiempo, no hay estado estable.

Modelos rigurosos no lineales deben ser usados para analizar un reactor batch por el cambio de parametros en el tiempo.

Seleccionar la mejor trayectoria Tiempo-Temperatura es un reto en la optimiacin dinmica del reactor.

Todas las configuraciones para transferencia de calor usadas en un reactor CSTR puede se aplicadas a un reactor Batch.

Diseo de ReactoresReactor TubularLas variables del proceso cambian con las dimensiones y con el tiempoEl control de los reactores tubulares es el mas dificil de todos los sistemas de reactoresCaractersticas:

Cambio de propiedades axiales crea problemas en el comportamiento del sistema.

Reactores tubulares tienen limitaciones a altas temperaturas. Reacciones indeseables, degradacin del catalizador o materiales de construccin.

Temperatura del alimento es una variable importante de diseo en reactores tubulares.

Las opciones para calentar o enfriar el reactor estan limitadas

Diseo de ReactoresProbablemente la variable mas importante en el diseo y control de un reactor es la temperatura. La temperatura es la variable dominante, determina la economa, calidad, seguridad y operatividad del reactor

Diseo de ReactoresTransferencia de calor en los reactoresLos reactores Batch y CSTR pueden ser calentados y enfriados de diferentes maneras. MAYOR CONTROLABILIDAD.

El uso de chaquetas abrazando el reactor es probablemente el mtodo mas comn para proveer la transferencia de calor. RELATIVAMENTE BARATOCalentamiento: Vapor se condensa en la chaqueta o fluido caliente se alimenta a la chaqueta.

Diseo de ReactoresTradicionalmente, diseo de procesos y control han estado separadas como actividades diferentes de la ingeniera.El diseo del control de la planta inicia despues que la planta ha sido diseada y algunas partes de la planta ya compradas.Serias limitacionesEl diseo de la planta define la dinmica del proceso y su operabilidad.En una condicion extrema puede que la planta ya diseada se imposible controlarla.Como la controlo?

Diseo de ReactoresreactivosproductosEntrada fluido de enfriamientoSalida fluido de enfriamientoVariable de control: TemperaturaVariable manipulada: flujo de entrada del fluido de enfriamientoVariable de perturbacin: condiciones de alimento (composicin, flujos y temperatura)..tambien podrian ser variables de manipulacinProblemas de control de procesos, tres tipos importantes de variables de procesos:

Diseo de Reactores

Diseo de ReactoresTTTCI/PTemperaturaAnalizador/trasmisorTemperaturaControladorTransductorCorriente a presinValvulaElemento final de controlSeal elctricaSeal neumticaAlgoritmo de control:Control proporcionalControl de Retroalimentacin (feedback control):La variable de control es medida, y su medida es usada para ajustar la variable de manipulacin. La variable de perturbacin no es medida.

Ventaja: la accin de correccin se hace independientemente de la fuente de perturbacin

Diseo de ReactoresCTComposicinAnalizador/trasmisorCCComposicinControladorI/PTransductorCorriente a presinValvulaElemento final de controlSeal elctricaSeal neumticaControl de Prealimentacin (feedforward control):La variable de perturbacin se mide, y su medida es usada para ajustar la variable de manipulacin.

Ventaja: la accin de correccin se hace antes que la variable de control se desve del set point.

Diseo de ReactoresCTCCI/PValvulaElemento final de controlTTTCControl de Retroalimentacin (feedback control) yControl de Prealimentacin (feedforward control)

Ventaja: la accin de correccin se hace antes que la variable de control se desve del set point. la accin de correccin se hace independientemente de la fuente de perturbacin

Diseo de ReactoresMtodo 4: cambie el tamao del reactorCambio de diseoTransferencia de calor esta limitada por la geometraArea independiente del tamao de reactor.Debe ser capaz de bombear masa reaccionante.Mejor control de temperatura, pero mayor area.

Diseo de Reactores

Diseo de Reactores

Diseo de Reactores

Diseo de Reactores