Tema 5. Significado curva de las max. Velocidades en el diagrama X vs T para r. Reversible exotérmica:
La curva envolvente de la figura es la curva de equilibrio (r=0) Para una ecuación cinética conocida y unas condiciones iniciales de concentración, las curvas XA vs. T a r constante dan la relación conversión–
temperatura que producen ese valor de velocidad, r. Analizando las curvas de r constante de una reacción reversible exotérmica se observa que para cada conversión hay un valor de velocidad máximo, tal como se muestra en la figura inferior. Si unimos el máximo de velocidad que corresponde a cada conversión se obtiene la curva de las máximas velocidades. Operar en el punto de máxima r para una cierta conversión de salida sería la operación óptima si el reactor operase sólo en una conversión (por ejemplo CSTR).
Si la reacción es reversible exotérmica, y se desea alcanzar una conversión XA, indique brevemente la estrategia de operación más adecuada (temperatura de entrada) cuando (emplee las gráficas y ecuaciones necesarias) a) la reacción se lleva a cabo en un reactor tubular:
Si se desea alcanzar una cierta 𝑋𝐴 la temperatura correspondiente se calcula por la ROA, fijada una cierta 𝑇𝑜 . A la temperatura y conversión de salida se obtiene mediante la ecuación cinética una velocidad a la salida. El volumen de reactor necesario para alcanzar la conversión de salida fijada dependerá de la historia de velocidades que ha existido a lo largo del reactor (ver ec 1). El reactor opera en la entrada a una velocidad baja y lejos del equilibrio (conversiones bajas, la reacción inversa es despreciable). Si partimos de una 𝑇𝑜 muy baja necesitaremos un volumen de reacción muy elevado porque la zona inicial trabajará a velocidades muy bajas. Si la temperatura de entrada es demasiado alta puede que las condiciones de salida (ec 2) estén muy cerca del equilibrio, o incluso que no sean posibles. En este caso, hay que buscar una 𝑇𝑜 que minimice el volumen de reactor necesario (ec 1). Con esta 𝑇𝑜 resultará una ROA como la dibujada en rojo en la figura, donde la salida del reactor se sitúa en algún punto entre la curva de máximas velocidades y la curva de equilibrio.B) la reacción se lleva a cabo en un reactor de mezcla completa:
En este caso el reactor trabaja en una única velocidad. Para la conversión fijada esta velocidad debe ser la máxima posible, para minimizar el volumen de reactor necesario. El valor de T al que debe trabajar el reactor CSTR para una cierta conversión es el que haga que r sea máxima. Conocida la T de operación del reactor para la conversión deseada, el valor de To se obtiene de la ROA.Si se desea obtener una cierta conversión de A. Si el reactor es un tanque de mezcla completa ¿Cuál es la temperatura óptima de operación si la reacción es – irreversible.
En este caso la velocidad, para una conversión dada, siempre aumenta con la temperatura, con lo que el volumen de reactor necesario será menor operando a T elevada. La T óptima es la máxima admisible por seguridad, materiales o para evitar reacciones secundarias indeseables. Como el reactor de mezcla completa sólo trabaja en una T esa debería ser la máxima posible (seleccionando To si el reactor es adiabático o Tc si hay intercambio de calor)– reversible endotérmica
En este caso también ocurre que la velocidad, para una conversión dada, siempre aumenta con la temperatura, con lo que el volumen de reactor necesario será menor al aumentar T. La T óptima es la máxima admisible por seguridad, materiales o evitar reacciones secundarias indeseables. (seleccionando To si el reactor es adiabático o Tc si hay intercambio de calor)– reversible exotérmica?
En este caso la velocidad, para una conversión fija, aumenta al aumentar la temperatura cuando se opera lejos del equilibrio –temperaturas lo suficientemente bajas- pero al aumentar la temperatura se aumenta notablemente la velocidad de la reacción inversa y a valores de T suficientemente elevados un aumento de T supone una disminución de r. Para una XA fija hay una T que hace máxima la velocidad. – La T óptima en este caso es aquella donde el reactor opera a la máxima velocidad para la conversión deseada (ese máximo está situado en la curva de máximas velocidades del punto 6) . Para operar en T óptima hay que seleccionar To si el reactor es adiabático o Tc si hay intercambio de calor).¿Cómo se modificarían sus respuestas si se utilizase un reactor tubular?
Si el reactor es tubular lo ideal en los casos de reacción irreversible o endotérmica sería trabajar a la máxima T posible –con criterios de seguridad y selectividad antes indicadosen todo el reactor (operación isoterma), para tener la máxima velocidad de reacción en cualquier punto del reactor. Si la reacción es reversible exotérmica la secuencia de T debe ser tal que haga mínimo el volumen del reactor, de acuerdo al BM:Si la operación fuese adiabática esto supondría optimizar To, como se ha indicado en preguntas anteriores. Si la operación fuera isoterma (imaginemos un sistema de reactor multitubular) la T de operación optima sería la que diera para ese caso un 𝑉 /𝐹𝐴𝑜 mínimo.
Explicar sobre un diagrama XA vs. T cual sería la estrategia de operación para alcanzar la conversión deseada en una asociación de tres reactores tubulares adiabáticos con intercambio de calor entre etapas (menor tiempo de residencia). La reacción es reversible exotérmica.
En el primer reactor (donde la XA es baja y la reacción inversa es por tanto poco importante) podemos comenzar operando a temperaturas más elevadas de To, para minimizar el volumen requerido en esta primera etapa. La ROA será la que corresponda al BC. Tal como se justificó en la pregunta 6 a, el punto final óptimo será una posición entre la curva de máximas velocidades y la curva de equilibrio. Ese punto es la conversión del primer reactor. Hay que enfriar esa corriente, para entrar al segundo reactor a una To menor que la del primero puesto que ya la XA de entrada es mayor es mayor. La pendiente de la ROA es la misma en todos los reactores. El punto final, salida del segundo reactor, debe estar de nuevo situado entre la curva de máximas velocidades y la de equilibrio. Y así sucesivamente. La elección de las To en cada reactor y la conversión de salida en cada reactor se establecerá optimizando la asociación de reactores, para obtener el mínimo valor total del volumen de esta asociación.Tema 123: Indique brevemente como influye el funcionamiento del reactor químico en el inmovilizado de la planta industrial:
Un reactor químico que operan discontinuo presenta un menor coste de inmovilizado en la planta industrial, ya que los reactores son más sencillos pero presentan un coste de operación elevado debido a los tiempos muertos que presentan. En cambio, aquellos que operan en continuo presentan un mayor coste de inversión en la planta debido también a un sistema de control más complejo, pero un coste de operación mucho menor. Debido a ello, se utilizan los discontinuos para bajas producciones o en aquellos casos donde se necesite mayor flexibilidad de producción los continuos se utilizan en grandes producciones presentando una calidad de producto más uniforme Discuta si es posible con los resultados obtenidos en laboratorio diseñar con fiabilidad el volumen de reactor industrial:
Aunque es verdad que he dicho diseño requiere de los resultados experimentales del laboratorio(datos cinéticos), no es suficiente para diseñar el reactor industrial, ya que no sirve con escalar los resultados. Una vez el volumen del reactor aumenta, aumenta también considerablemente la incertidumbre de algunos fenómenos físicos como el grado de mezcla, el contacto entre fases, o la temperatura en todo el volumen de la reacción, por lo que además de los datos experimentales se necesitan modelos fenomenológicos que integren adecuadamente todos los factores de diseño del reactor a escala industrial. El modelo cinético depende de la concentración de los componentes de la reacción y de su temperatura, y de la termodinámica si la reacción es reversible. La cinética de las etapas físicas depende de la termodinámica de la reacción y de los fenómenos de transporte ( calor, materia y cantidad de movimiento ). La incertidumbre en el cambio de escala es mayor en heterogéneo, ya que también tendríamos que tener en cuenta el transporte de materia , por que a la hora de hacer el cambio de escala tenemos que tener más parámetros en cuenta, lo que también incrementará el error a la hora de realizar la extrapolación.
¿Hay alguna relación entre los procesos de gran producción se lleven a cabo con catalizadores sólidos y la mejora de selectividad?
Interesa conseguir la mayor selectividad posible para reducir los costes de purificación ( los procedimientos para separar los catalizadores olidos de los productos obtenidos son procesos físicos , procesos más baratos que los procesos de separación químicos ) de los productos obtenidos, teniendo en cuenta que son grandes producciones.TEST. 1
Los reactores discontinuos se emplean en pequeñas producciones.2. La mayor parte de los procesos que emplean catalizadores sólidos se llevan a cabo en lechos fijos.
3. Los reactores de lecho fijo es difícil controlar la temperatura apunto el intercambio de calor se da mejor en tanques agitados o de lecho fluidizado.
4. Si la reacción es muy exotérmica o endotérmica puede ser conveniente emplear reactores de lecho fijo multitubulares.
5. Cuando hay perdida de pérdida de carga excesiva si el reactor tiene una gran longitud se emplean reactores tubulares de un solo lecho.
6. Los reactores monolíticos se emplean en procesos fin de línea porque generan pequeña pérdida de presión.
E(t)dt:
La E ( DTR ) es una función de distribución normalizada de tiempos de residencia ( con dimensioes de t^-1) . Se emplea para predecir el tiempo de residencia medio de las moléculas, ya que no todas las moléculas que entran a la vez en el reactor pasan el mismo tiempo dentro de él.
Si en un reactor no existe cortocircuito ¿Cuánto vale ∫∞ 𝐸(𝑡)𝑑𝑡?
Si todos los elementos del fluido que entran, atraviesan el reactor sin cortocircuito, la integral es igual a la unidad, es decir, tiene un valor de 1. E(t)dt es la fracción fluido introducido al reactor que permanece en este tiempo entre t y t+dt.
La curva F es la fracción de fluido introducido al reactor que ha salido entre 0 y t, y se calcula por tanto integrando R(t). El primer momento se define como el tiempo medio que una molécula de trazador que entra el reactor permanecen este hasta que sale. El segundo momento, también denominado varianza es una indicación de la amplitud o dispersión de la distribución con respecto al tiempo medio.