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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.
La cinética química cinética química y el diseño de reactores diseño de reactores en el corazónde casi todos los procesos industriales.
De la selección del sistema reactivo depende laoperación segura y económica del proceso.
El diseño de reactores esta presenta en sistemasindustriales, ambientales y biológicos.
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.1.1 Velocidad de reacción (-rA).La velocidad de reacción es la rapidez con que se consume una cierta cantidad demoles de una especie química para formar otra especie química.
En una reacción química, un número detectable de moléculas de una especia se
transforma en una nueva especie química, la masa total no es crea ni es destruye.
Las especies individuales que intervienen en una reacción en particular se conocen comoreactivos (si desaparecen) o productos ( si de forman ) con una velocidad dada.
La velocidad de desaparición de una especie (A), es el numero de moléculas A que pierdensu identidad química (reaccionan) por unidad de tiempo por unidad de volumen debido a laruptura y subsecuente formación de enlaces químicos durante el curso de la reacción.
Los tipos de reacciones químicas que se pueden encontrar, en general, se clasif ican como:descomposición (los reactivos se rompen moléculas más pequeñas, átomos o fragmentosde átomos), combinación entre dos o más moléculas o isomerización (implica un cambio ensu conf iguración).
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.Reacción de descomposición.
umeno !!" #enceno $ %ropileno
A→ B + C
Reacción de composición. A + B→C
%ropileno $ &idrógeno ' %ropano
Reacción de %olimerización A → ( A)n
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.omo se e(presa la velocidad de reacción )
*ricloro!acetaldeido loro#enceno Dicloro Difenil Tricloroetano +DD*
A + 2B→C + D−r A = 4
mol
lt∗ seg La velocidad de reacción, r, es el
número de moles que reaccionan por
unidad de tempo y unidad de
volumen. Se mide en (mol·s-1·l-1)
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.-omenclatura i signos para deinir la velocidad de reacción.
A + 2B→C + D
r i/e deine como la velocidad de reacción+ desaparición ó también de ormación delproducto i
/i ri 0 1, es un reactivo,es decir, se consume.
/i ri " 1, es un producto,es decir, se orma.
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.Símbolos y signos para def inir la velocidad de reacción, r.
r’ describe la velocidad de reacción de ormación de reacciones
!eero"#neas.Las reacciones !eero"#neas presenen varias ases (sólido-l$quido,
l$quido-"as, "as-sólido, "as-l$quido-sólido).
%imensiones de r’ : número de moles de & que reaccionan por unidad
de empo por unidad de masa de catalizador (mols's · " de
caaliador)
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.Lo que debe saber.....2222
La ecuación de velocidad para ri es una ecuación al"ebraica que
es función de les propiedades de los materiales que reaccionany las condiciones de reacción ( *, +, , caaliador). La ecuación
de velocidad pera ri es independiente del tipo de reactor donde
se lleva a ermino la reacción.
Las propiedades y les condiciones de reacción de las especies quereaccionan pueden variar con la posición en un reacor qu$mico,
por lo ano, ri puede ser una función de la posición variane en
un puno o en oro del sisema.
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.
La ley de velocidad de una reacción qu$mica es una ecuación algebráica i depende de la
concentración
- el ermino de emperaura si"ue la ley de &rr!enius.
- el ermino de concenraciones es propio de cada reacción.
La dependencia de la concenración de la ley de velocidad se !a de determinar por
observación experimental.
*emplos de leyes de velocidad por convenio -r& corresponden a la velocidad de
desaparición de & de la reacción
Lo que debe saber.....2222
−r A=k (T ) f (C A ,C B , ...)
k (T )=k 0exp
(− E
a
RT )
−r A=kC A
−r A=kC A2
−r A= k 1C A
1+k 2C A
A→ productos
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.1.2 Balances molares.
%ara 3acer un balance de materia +b.m., se deben deinir las ronterasdel sistema, los que se llama, volumen de control.
&aciendo un b.m. %ara una especie química i 4
5i1
5i
6i
7elocidadde acumulación de i
en el sistema.+mol8tiempo
7elocidad de5ormación de ipor reacciónquímica del
sistema.+mol8tiempo
5lu9o neto dei que entraal sistema.+mol8tiempo
:5lu9o neto dei que sale delsistema.+mol8tiempo
$ !
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.1.2 Balances molares.
dN i
dt
= F i0+G i− F i-
ison el n;mero de
moles en el volumen decontrol en el tiempo t.
Si las propiedades del sistema son uniformes: T, P, C j, ..., uniformes en todoel volumen de control
G i
[ gmol
s
]=r i
[ gmol
s∗ L ]V [ L]
Si ri varia con la posición dentro del sistema (hay pequeñas variaciones en el
volumen pero podemos considerar que r i uniforme)
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.1.2 Balances molares.
G i=∑k =1
ΔG k =∑k =1
r ik ΔV k
*omando los limites adecuados y apelando a ladeinición de integral, la ecuación tomar< la orma4
→∞ΔV →0
G i=∫V
r i dV
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.1.2 Balances molares.
El balance general de materia con reacción química queda:
F io − F i + ∫V
r idV = dN i
dt
Este es el balance general de masa, con la cual sedesarrollan las ecuaciones de diseño, para varios tipos dereactores industriales.
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.1.3 Teoría de Colisiones
Es una teoría propuesta por Max Trautz y William Lewis en 1916 y 1918,que explica cualitativamente cómo ocurren las reacciones químicas yporqué las velocidades de reacción dif ieren para diferentes reacciones.
Para que una reacción ocurra las partículas reaccionantes debencolisionar.
Solo una cierta fracción de las colisiones totales causan un cambioquímico; estas son llamadas colisiones exitosas.
Las colisiones exitosas tienen energía suf iciente (energía de activación)al momento del impacto para romper los enlaces existentes y formarnuevos enlaces, resultando en los productos de la reacción.
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.1.4 Efectos de la temperatura sobre al velocidad de reacción.
La velocidad de casi todas las reacciones químicasaumenta, en general, con la temperatura +se duplica o
triplica por cada =1 > de aumento.
?na de las ecuaciones m<s utilizadas para representar lavariación de la constante de velocidad con la temperatura
es la ecuación empírica de @rr3enius4
k (T )=k 0 exp(− E a RT )
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UNIDAD 1.FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE
REACTORES QUÍMICOS.1.4 Efectos de la temperatura sobre al velocidad de reacción.
La energía de activación +Ea se deina como la energía
mínima que deben tener las moléculas antes que lareacción ocurra.
A el actor e(p+!Ea8R*, es el actor que da la racción demoléculas con c3oques e(itosos.