 Balance general de energía para sistemas
reactivos.
 Energía Acumulada = energía entrada−energía
salida+ energía genera...
eje, eléctrico,
compresión
o expansión
calores
de mezclado,
de reacción, y
calores
transferidos
desde o hacia
el ambiente
...
Móvil
E.
Estacionario
Reactivo
límite
Existen cambios de fase
Industria
Cp constante en el rango de temperaturas
Reacción sin cambio de fase
Ec. De diseño
 En algunos casos Ws es despreciable, pero si se tiene un
fluido viscoso, no se puede despreciar.
 Muchas reacciones ind...
 Operación adiabática
 Operación no-adiabática
•Mezcla perfecta y temperatura uniforme en todo el reactor.
•T alimento, ...
Reacción
equilibrio
expresión
cinética. T
equilibrio
Combinan con la Ec.
Moles. Obtener T, X
Y perfil de
concentraciones.
R. Batch
Principio de Chatelier reacción exotérmica
X A óptimo.
Constantes de velocidad Ley de Arrhenius
Derivada velocidad de reacción respecto a la temperatura
Simplifica y...
Segunda derivada para una reacción exotérmica
Segunda derivada para una reacción endotérmica
Combino las dos
ecuaciones
1. Cuando γ < 1, para las reacciones exotérmicas, XAe > XA, opt
2. A mayores conversiones, XA, opt se acerca más a XAe.
3....
4. Si, Ea,1 = Ea,2, entonces γ = 1 y en este caso XAe = XA, opt.
5. En alguna temperatura donde se tenga que Grxn = 0 y po...
Comparando, se puede observar que XA en el CSTR será siempre menor
a XAe siempre que 1/τk2 > 0.
Dependiendo del valor del ...
Calor trasferido desde o hacia el
reactor por el fluido térmico
Distribución de temperatura
media logarítmica
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Temperatura de salida del fluido
Estimar el calor que se debe transmitir desde o hacia un CSTR
Balance de moles
Ecuaciones se deben resolver simultáneamente
Si el flujo del fluido de enfriamiento no presenta un cambio...
 PFTR en operación adiabática
Ecs. Del CSTR son aplicables a un PFTR, con X y T adiabáticas
Ec. Balance de moles
Para obtener la X, T y el perfil de concentración a lo largo del reactor.
Recordar que dV = Adl, y por tanto la expresión ...
PFTRexperimentalcon
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se asume que no existen
gradientes térmicos en la dirección
radial del tubo .
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dividiendo por V y aplicando el límite cuando V → 0
Balance de moles de
la especie i
Reemplaza
Flujo en contracorriente
Para resolver problemas con flujo a contracorriente se debe resolver la X y
la T, se necesitan pr...
 En algunos casos el papel de la membrana es
simplemente el de proveer una barrera que
sea capaz de redistribuir los comp...
 Combinación de un sistema de reaccion–separacion: en un único
recipiente conlleva a una reducción significativa del cost...
 Acoplamiento de reacciones: se pueden usar para llevar a cabo dos
reacciones diferentes en lados opuestos de la membrana...
 Operación a altas temperaturas: Los reactores catalíticos
de membrana pueden usarse a altas temperaturas
mientras que lo...
 Posibilidad de controlar la distribución de poros.
 Control de la dirección de los poros.
 Control del tiempo de conta...
 La permeación de oxígeno a través de la membrana se
obtiene a lo largo del reactor mediante la expresión.
 Para O2 en u...
 y el flujo que ingresa por las paredes de la
membrana a la zona de reacción, está
entonces dado por
 Balance de energía
término de generación de calor
término de remoción de calor
Diseño no isotérmico de reactores
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Diseño no isotérmico de reactores

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Ecuaciones de diseño para reactores no Isotérmicos

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Diseño no isotérmico de reactores

  1. 1.  Balance general de energía para sistemas reactivos.  Energía Acumulada = energía entrada−energía salida+ energía generada−energía consumida.  Aplicando la expresión para la primera ley de la Termodinámica, se tiene entonces:
  2. 2. eje, eléctrico, compresión o expansión calores de mezclado, de reacción, y calores transferidos desde o hacia el ambiente por Conducción, convección, radiación
  3. 3. Móvil E. Estacionario
  4. 4. Reactivo límite
  5. 5. Existen cambios de fase Industria
  6. 6. Cp constante en el rango de temperaturas Reacción sin cambio de fase Ec. De diseño
  7. 7.  En algunos casos Ws es despreciable, pero si se tiene un fluido viscoso, no se puede despreciar.  Muchas reacciones industriales forma adiabática.  Reacción no isotérmica.  U es un coeficiente global de transferencia de calor.  A es el área de transferencia de calor.  f(T) función del gradiente de temperatura entre la mezcla reactante y el fluido de transferencia.
  8. 8.  Operación adiabática  Operación no-adiabática •Mezcla perfecta y temperatura uniforme en todo el reactor. •T alimento, Contenidos del reactor y los productos de salida es la misma.
  9. 9. Reacción equilibrio expresión cinética. T equilibrio Combinan con la Ec. Moles. Obtener T, X Y perfil de concentraciones.
  10. 10. R. Batch
  11. 11. Principio de Chatelier reacción exotérmica
  12. 12. X A óptimo. Constantes de velocidad Ley de Arrhenius Derivada velocidad de reacción respecto a la temperatura Simplifica y se ordena
  13. 13. Segunda derivada para una reacción exotérmica Segunda derivada para una reacción endotérmica Combino las dos ecuaciones
  14. 14. 1. Cuando γ < 1, para las reacciones exotérmicas, XAe > XA, opt 2. A mayores conversiones, XA, opt se acerca más a XAe. 3. A conversiones bajas
  15. 15. 4. Si, Ea,1 = Ea,2, entonces γ = 1 y en este caso XAe = XA, opt. 5. En alguna temperatura donde se tenga que Grxn = 0 y por tanto Kc = 1, Son importantes porque permiten determinar: Donde se debe operar un sistema reactivo; si en el punto de equilibrio o en el régimen óptimo, para alcanzar la máxima conversión.
  16. 16. Comparando, se puede observar que XA en el CSTR será siempre menor a XAe siempre que 1/τk2 > 0. Dependiendo del valor del término 1/ τk2 > 0, se puede tomar la desición de llevar a cabo la reacción en equilibrio en un reactor Batch o en condiciones de estado estacionario en un CSTR.
  17. 17. Calor trasferido desde o hacia el reactor por el fluido térmico Distribución de temperatura media logarítmica Serpentín, chaqueta, flujo másico y temperaturas del fluido térmico
  18. 18. Temperatura de salida del fluido Estimar el calor que se debe transmitir desde o hacia un CSTR
  19. 19. Balance de moles Ecuaciones se deben resolver simultáneamente Si el flujo del fluido de enfriamiento no presenta un cambio significativo de temperatura de puede simplificar con la siguiente ecuación:
  20. 20.  PFTR en operación adiabática
  21. 21. Ecs. Del CSTR son aplicables a un PFTR, con X y T adiabáticas Ec. Balance de moles
  22. 22. Para obtener la X, T y el perfil de concentración a lo largo del reactor. Recordar que dV = Adl, y por tanto la expresión de balance diferencial de moles se puede escribir también como
  23. 23. PFTRexperimentalcon transferenciadecalor se asume que no existen gradientes térmicos en la dirección radial del tubo . Flux de calor adicionado o retirado se puede describir como: a = A/V = 4/d, es el área por unidad de volumen para la transferencia de calor, con d del tubo y Tcf la temperatura del fluido de enfriamiento.
  24. 24. dividiendo por V y aplicando el límite cuando V → 0
  25. 25. Balance de moles de la especie i Reemplaza
  26. 26. Flujo en contracorriente Para resolver problemas con flujo a contracorriente se debe resolver la X y la T, se necesitan procedimientos iterativos, dado que se trata de un problema con valor en una de las fronteras. Ver el método numérico de “shooting” y relacionados.
  27. 27.  En algunos casos el papel de la membrana es simplemente el de proveer una barrera que sea capaz de redistribuir los componentes.  Confinar un catalizador.  Prevenir que ciertos componentes entren en contacto con otros.  Su uso ha resultado muy exitoso en diversos escenarios.
  28. 28.  Combinación de un sistema de reaccion–separacion: en un único recipiente conlleva a una reducción significativa del costo de capital.  Adición controlada de reactivos: Dosificar de manera controlada un reactivo para minimizar la formación de productos indeseados.  Mantener los reactivos separados, se evitan las reacciones secundarias.  Mantener los reactivos separados: Evitar la formación de mezclas explosivas y la liberación no controlada de grandes cantidades de energía debido a reacciones fuera de control.
  29. 29.  Acoplamiento de reacciones: se pueden usar para llevar a cabo dos reacciones diferentes en lados opuestos de la membrana.  El acoplamiento se puede lograr a diferentes niveles.  1. Acoplamiento energético: El calor generado por una reacción exotérmica se transfiere a una endotérmica  2. Acoplamiento termodinámico: La membrana permite la permeación de un compuesto que está involucrado en las dos reacciones.  3. Acoplamiento cinético: La cinética de una de las reacciones se ve mejorada por la transferencia de una especie activa formada por la otra reacción.
  30. 30.  Operación a altas temperaturas: Los reactores catalíticos de membrana pueden usarse a altas temperaturas mientras que los de membranas poliméricas operan bien a bajas temperaturas.  Existen sin embargo algunas limitaciones operacionales.  Las altas temperaturas pueden ocasionar cambios morfológicos de la membrana, disminuyendo su eficiencia.
  31. 31.  Posibilidad de controlar la distribución de poros.  Control de la dirección de los poros.  Control del tiempo de contacto.  Relaciones de Área/Volumen altas.  Contacto eficiente entre el fluido y el catalizador.  Resistencia a la transferencia de masa relativamente baja.  Ausencia de zonas muertas para el flujo.  Altas velocidad de transferencia de calor.
  32. 32.  La permeación de oxígeno a través de la membrana se obtiene a lo largo del reactor mediante la expresión.  Para O2 en una membrana de vidrio, se aplican los siguientes valores:
  33. 33.  y el flujo que ingresa por las paredes de la membrana a la zona de reacción, está entonces dado por
  34. 34.  Balance de energía
  35. 35. término de generación de calor término de remoción de calor

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