reactores bacht

7/16/2019 REACTORES BACHT

http://slidepdf.com/reader/full/reactores-bacht 1/8

REACTORES BATCH (DISCONTINUO O INTERMITENTE)

REACTORES INTERMITENTES IDEALES

En el reactor discontinuo los reactantes se introducen en el reactor, se mezclan de una manerauniforme, se deja que reaccionen un tiempo determinado, y finalmente se descarga la mezclaresultante. Es ésta una operación no estacionaria en la que la composición va variando con el tiempo,aunque en cada instante es uniforme en todos los puntos del reactor.

t=t1 t=t2

Los reactores por lotes o intermitentes rara vez se utilizan en escala comercial para reacciones en fasegaseosa, debido a que la cantidad de producto que puede obtenerse en un reactor de tamaño razonablees pequeña. El principal uso de los sistemas por lotes en reacciones gaseosas es en estudios cinéticos.Por otra parte, los reactores por lotes se utilizan frecuentemente para reacciones en fase líquida, particularmente cuando la producción requerida es pequeña. La operación de los reactoresintermitentes generalmente es más costosa que la de los continuos, para los mismos requerimientos de producción. Sin embargo, el costo inicial de los sistemas continuos puede ser más alto debido a lainstrumentación requerida. Por tanto, para productos de precio relativamente alto (farmacéuticos),donde los gastos de operación no son un factor predominante en el costo de operación total, se usanreactores por lotes.

En la mayoría de las reacciones en fase liquida, el cambio de densidad durante la reacción es pequeñoy se puede ignorar (es decir V=V 0). También tenemos que V=V0 en el caso de fase gaseosa enreactores cuyo volumen permanece constante y en este caso en lugar de emplear volúmenes en loscálculos, se usa la presión ya que esta está relacionada en forma exclusiva con el grado de verificaciónde la reacción.

Procedimiento de diseño-reactor intermitente

Efectuemos un balance de materia referido a cualquier componente A, para lo cual hemos deseleccionar el componente limitante. Como en un reactor discontinuo la composición es uniforme encada instante, podemos efectuar el balance referido a todo el reactor.

Teniendo en cuenta que durante la reacción no entra ni sale fluido del sistema, la ecuación referida alcomponente A será:

1



Evaluando los términos de la ecuación se tiene:

Ahora remplazan ambos valores en la ecuación anterior se tiene:

Despejando y integrando se tiene la siguiente ecuación:

Ésta es la ecuación general que nos da el tiempo necesario para que se alcance una conversión X A encondiciones de operaciones isotérmicas o no isotérmicas ; el volumen del fluido reaccionante y la

velocidad de reacción quedan bajo el signo integral porque, en general, varían durante el transcurso dela reacción.

Esta ecuación puede simplificarse en muchos casos. Si la densidad del fluido permanece constante:

…………………(a)

Para todas las reacciones en las que el volumen de la mezcla reaccionante varía proporcionalmente conla conversión, como por ejemplo, en las reacciones elementales en fase gaseosa con variaciónsignificativa de la densidad, la ecuación se convierte en:

Se aplican tanto a condiciones de operación isotérmicas como a las no isotérmicas; en el caso de estasÚltimas hemos de conocer la variación de la velocidad de reacción con la temperatura, y la variaciónde la temperatura con la conversión, para que su solución sea posible.

En los procesos no isotérmicos se realiza un balance de energía junto al de materia de la siguientemanera:

2



Para un proceso por lotes se reduce a lo siguiente:

En los reactores químicos, el intercambio de energía con los alrededores suele deberse exclusivamenteal calor, Q. Entonces, para un intervalo de tiempo dt, donde el calor transferido es dQ, la ecuación setransforma en:

Donde U es la energía interna de la mezcla reaccionante. La diferencia entre la variación de energía yla variación de entalpía de un sistema suele ser poco importante en los reactores. Esto significa que, para los reactores por lotes, la ecuación anterior puede escribirse como:

Donde dQ y dH se refieren a cantidades en un incremento de tiempo dt.

Tiempo de ciclo

El tiempo de ciclo total en cualquier operación por lotes es mucho mayor que el tiempo de reacción tR

, porque hay que tomar en cuenta el tiempo necesario para llenar (t f ) y vaciar (te) el reactor, y el tiempo

necesario para limpiar el reactor entre lotes, t c . En algunos casos el tiempo de reacción que se calculacon las ecuación (a) podría ser solo una fracción pequeña del tiempo del ciclo total, t t.

En la siguiente tabla se dan tiempos de ciclo representativos de un proceso de polimerización por lotes.

ACTIVIDAD TIEMPO (h)1.Cargar alimentación al reactor y agitar, tf 1.5-3.02. calentar hasta la temperatura de reacción,te 1.0-2.03.Efectuar la reacción, tR (variable)4.Vaciar y limpiar el reactor, tc 0.5-1.0

Tiempo total excluyendo la reacción 3.0-6.0

Características mecánicas del Reactores por lotes.

El reactor por lotes es una marmita o un tanque, o puede ser un circuito cerrado de tuberíaacondicionado con una bomba para impulsar la circulación.

3



El reactor por lotes deberá contar con ciertos accesorios para que se pueda operar satisfactoriamente.Ante todo, generalmente debe estar cerrado, excepto para ventilarse, para evitar así pérdidas dematerial y peligros al personal de operación.Para reacciones que se efectúan bajo esta presión, la ventila se reemplaza por una válvula de seguridad.Las condiciones de alta presión frecuentemente introducen complicaciones en el diseño, aumentandoconsiderablemente el costo inicial. Por ejemplo, la tapa debe resistir la misma presión máxima que el

resto del autoclave. A presiones intermedias, se pueden lograr cierres satisfactorios mediante tuercas ytornillos usando bridas y empaques especiales. El sello se logra mediante el empleo de seis o mástornillos localizados en las bridas de la tapa. Este tipo de cierre se ilustra en la Fig. 1. Para altas presiones (aproximadamente mayores de 5000 psia) este tipo de construcción no es deseable debido alas presiones muy altas que los tornillos deben resistir. El diseño preferido es aquel en el cual la presión misma sella el recipiente, y un aumento en la presión no origina un aumento correspondienteen el esfuerzo a que están sujetos los tornillos. Un ejemplo de este cierre autosellante se muestra en laFig. 2. La presión que actúa en el cabezal se transmite al empaque, el cual está confinado por la pareddel reactor, el cabezal y un anillo de retención. La presión interna empuja al cabezal en contra delempaque, aumentando la fuerza ejercida por los tornillos a través del collarín. Los problemas que se presentan en el diseño de reactores por lotes para operaciones a presiones medias y altas se hanestudiado con bastante detalle. Los reactores de circuito cerrado son muy adecuados para presiones

altas, pues la tubería tiene un diámetro más reducido que un tanque.En los reactores de tanque es necesario agitar la mezcla reaccionante. Esto puede hacersemecánicamente con agitadores operados mediante una flecha que se extiende a través de la pared delreactor. En los reactores de alta presión, es necesario contar con estoperos bastante complicados paraevitar fugas por la flecha. En la Fig. 3 se ilustra un diseño típico, donde también se muestran losdetalles mecánicos del reactor, que en este caso esta también provisto de una chaqueta.Los materiales de construcción empleados en los reactores por lotes varían desde el acero común hastael equipo recubierto con vidrio, dependiendo de las condiciones y propiedades de la mezclareaccionante. En las operaciones de plantas piloto generalmente se usa acero inoxidable o reactoresrecubiertos de vidrio, debido a su resistencia a la corrosión, por lo que son aplicables a varios sistemas.En los equipos comerciales puede ser más económico emplear acero común debido a su bajo costoaunque la corrosión sea alta. En las industrias farmacéuticas y de alimentos, frecuentemente es

necesario usar equipo de acero inoxidable o recubierto con vidrio para proteger la pureza del producto.

Figura 1 Cierre convencional de brida y de tornillo para un reactor por lotes

4



Figura 2 cierre para un reactor por lotes a alta presión

Figura 3 Reactor enchaquetado

5



Ventajas de un reactor discontinuo

Bajo costo de su instrumentación y la flexibilidad de su operación (se le puede detener demodo fácil y rápido).

En equipos comerciales se emplea acero común ya que resulta más económico debido a su bajo costo aunque la corrosión sea alta.

Hay mayor uso en la industria química, alimentaria o farmacéutica donde es muy importanteofrecer una gran variedad de productos e introducir otros nuevos rápidamente.

Diseñado para producir muchos productos, esta flexibilidad permite manufacturara nuevos productos sin tener que construir una nueva planta o hacer nuevas modificaciones.

Desventajas de un reactor discontinuo

El elevado costo de mantenimiento y de la mano de obra , la gran cantidad de tiempo que pasa parado para la carga ,descarga y limpieza y el deficiente control de calidad del producto.

Produce una cantidad limitada del producto.

BIBLIOGRAFIA

H.SCOTT FOGLER. Elementos de ingeniería de las reacciones químicas.Tercera edición. Pág. 131

J.M.SMITH. Ingeniería de la cinética química.Editorial Mc GRAW-HILL. Pág.167, 168

LEVENSPIEL. Ingeniería de las reacciones químicas.Tercera edición. Pág. 83-85

Ejemplo:

Leyes y Ohtmer estudiaron la formación de acetato de butilo en un reactor intermitente operado a 100OC, con ácido sulfúrico como catalizador.La alimentación original contenía 4.97 moles de butano1 por mol de ácido acético, y la concentracióndel catalizador era de 0.032% en peso de H2SO4. Se encontró que la siguiente ecuación de velocidadcorrelacionaba los datos al usar un exceso de butanol:donde CA es la concentración de ácido acético, en moles g por mililitro, y res la velocidad de reacción,en moles g de ácido que desaparece por mililitro por minuto. Para una relación de butano1 a ácido de4.97, y una concentración de acido sulfúrico de 0.032 en peso, la constante de velocidad de reacciónera:

Las densidades de la mezcla del acido acético, butanol y acetato de butilo no se conocen. Los valoresreportados parar los tres compuestos a 100ºC son:

Acido acético = 0.958 g/cm3

Butanol =0.742Acetato de butilo =0.796

Si bien la densidad de la mezcla reaccionante varía con la conversión, el exceso de butanol reducirá lamagnitud del cambio. Como una aproximación, la densidad de la mezcla se supondrá constante e iguala 0.75 g/cm3.

(a) Calcule el tiempo requerido para obtener una conversión del 50%.

6



(b) Determine el tamaño original del reactor y la masa original de reactantes que debe cargarse enel reactor para producir el éster q una velocidad promedio de 100 lb/h. Solamente se usara unreactor y esta unidad debe permanecer inactiva durante 30min entre cada dos lotes para extraer el producto, limpiar el equipo y volver a iniciar la operación. Suponga que la mezclareaccionante está bien mezclada.

SOLUCIÓN: Los pesos moleculares son: Ester = 116Butanol = 74Acido acético = 60

(a) La conversión del acido acético CA está relacionada con la conversión por medio de

Donde (CA)0 es la concentración inicial del acido. Sustituyendo esta expresión en la ecuaciónde velocidad se obtiene:

Puesto que el volumen es constante, se puede utilizar la siguiente ecuación:

Sustituyendo la ec. (1) en (2) obtenemos :

Integrando y sustituyendo para el valor final de x1 = 0.50 conduce al resultado

La concentración inicial del ácido acético es:

De la ec.(B), el tiempo requerido para una conversión del 50% es

7



(b) La tasa de producción (libras por hora de éster ) del reactor en términos de libras de ácidocargado, mA será

Esta expresión toma en cuenta un intervalo de 30 min de tiempo muerto por carga y consideraque la conversión es de 50%.Por tanto,

mA = 106 lb de acido acético/carga

Carga total = 106 + 4.97x ( ) x106 = 756 lb (343 kg)

El volumen ocupado por la carga será:

El reactor debe ser lo suficientemente grande para manejar 121 gal de mezcla reaccionante. Lacarga consistirá en 106 lb de ácido y 650 lb de butanol. Cuando la velocidad de la reacciónreversible sea significativa (es decir, cuando se aproxime al equilibrio en el reactor) o cuandose deba considerar más de una reacción, el mecanismo para resolver la ecuación de diseño puede volverse más complejo, pero los principios involucrados son los mismos.

8

reactores bacht

Documents