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Universidad Autnoma de Yucatn

FACULTAD DE INGENIERIA QUMICAINGENIERIA QUMICA INDUSTRIAL

Profesores:

M.I. Christian Escalante Saenz

Diseo de Procesos

Alumnos:

Alfredo Ernesto Argez Magaa

Arturo Adrin Reyes Benites

Benjamn Miguel Sols Basto

Fernando Pereira Santana

Pablo de la Cruz Gngora Gmez


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1. Cules son los principales factores que determinan el funcionamiento de unreactor Qumico?

Coker, A. K., Ludwig's Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants,Volume 1, Fourth Edition, Elsevier, U.S.A., (2007)

Hay varios factores que se consideran en la seleccin de los reactores qumicos para tareas

especficas:

Adems de los costos econmicos, el ingeniero qumico tiene la obligacin deelegir el reactor correcto que le dar a los ms altos rendimientos y pureza, as

como reducir al mnimo la contaminacin y maximizar beneficio.

Los reactores se eligen de tal manera que se cumplan los requisitos impuestos porlos mecanismos de reaccin, expresiones de cambio, y la capacidad de produccinrequerida.

Otros parmetros pertinentes que deben ser determinadas para elegir el tipoadecuado de reactor son el calor de reaccin, la constante de velocidad de reaccin,el coeficiente de transferencia de calor, y el tamao del reactor.

Un factor importante en el funcionamiento del reactor es el grado de conversin delos productos. Las condiciones de operacin tales como temperatura, presin y

grado de agitacin, estn relacionados con la parte econmica de la operacin

Turton, R., et al., Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes, 2nd ed., Prentice

Hall, U.S.A., (2003)

El rendimiento del reactor depende de la interaccin entre 4 efectos Reaccin cintica y la termodinmica:

La influencia de las variables extensivas (presin, la temperatura, concentracin),

en el rendimiento del reactor esta definido por la reaccin cintica y la reaccin deequilibrio. Estas variables afectan la velocidad de reaccin y determinan la medida

en que los reactivos se convierten en productos

Parmetros del reactorIncluye el volumen del reactor, el tiempo as como la configuracin del reactor

Produccin de producto deseadoConversin, selectividad y el rendimiento

Calor transferido en el reactor

Smith, R., Chemical Process Design and Integration, John Wiley & Sons, England,(2005)


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El buen Rendimiento del reactor es de suma importancia en la determinacin de la

viabilidad econmica as como el diseo global, el cual incluye:

Tipo de Reactor

Catalizador

Tamao Las condiciones de operacin (temperatura y presin)

Fase Las condiciones de alimentacin (concentracin y temperatura).

Una vez que las decisiones fundamentales se han hecho con respecto a estas cuestiones, un

reactor prctico se selecciona, acercndose a medida de lo posible al ideal para que el

diseo pueda proceder.

2. Cul es el grado de conversin ms conveniente y por qu?


(a) Para reacciones simples:

Un buen ajuste inicial podra ser 95% de conversin para reacciones irreversibles y 95%de la conversin de equilibrio para las reacciones reversibles.

(b) Para reacciones mltiples en paralelo:

Para estas reacciones en los que los subproductos se forman en paralelo, la selectividad

puede aumentar o disminuir a medida que se incrementa la conversin. Si el subproducto

de la reaccin tiene un orden superior al de la reaccin primaria, la selectividad aumenta

si se aumenta la conversin del reactor. En este caso, la misma configuracin inicial para

reacciones simples debe ser usada. Si la reaccin subproducto del sistema en paralelo tiene

un orden inferior a la reaccin primaria, una conversin ms baja que la usada para las

reacciones individuales se espera que sea apropiado.

La mejor suposicin inicial en esta etapa es establecer la conversin a 50% para reacciones

irreversibles o al 50% de la conversin de equilibrio para reacciones reversibles.

(c)Para reacciones mltiples en serie

(d)Para reacciones mltiples en serie-paralelo

Cabe destacar que estas recomendaciones para la configuracin inicial de la conversin del

reactor se pueden modificar ms adelante, puesto que la conversin del reactor es una

variable de optimizacin muy importante.


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Cuando se trata de mltiples reacciones, la selectividad o el rendimiento del reactor se

maximizan segn sea la conversin elegida.

3. Cul es el modelo ideal de reactor preferido para reacciones simples y por qu?

Coker, A. K., Ludwig's Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants,

Volume 1, Fourth Edition, Elsevier, U.S.A., (2007)

El reactor ptimo que satisfaga mejor los requisitos del proceso requiere una revisin de

si el proceso es continuo o por lotes, y si una combinacin de tipos de reactor o reactores

mltiples en serie o en paralelo sera la ms adecuada. Tambin es importante determinar

si el modo de operacin involucra un isoterma o si es adiabtica.

Smith, R., Chemical Process Design and Integration, John Wiley & Sons, England, (2005)

Para las reacciones simples, uno de tipo Batch o reactor de flujo-pistn se prefiere.

El motivo es que el mayor ndice de reaccin se mantiene por la ms alta concentracin

de alimentacin. En el reactor de flujo mixto en la entrada la alimentacin se diluyeinstantneamente formando el producto. La velocidad de reaccin es por lo tanto menor

en el RAC que en los reactores ideales por lotes y de flujo de pistn, ya que opera a la

baja velocidad de reaccin con la correspondiente concentracin de salida de laalimentacin. As, un reactor de flujo mixto requiere un volumen mayor que un ideal

Batch o de flujo reactor.

4. Cul es el procedimiento para seleccionar el modelo ideal de reactor en el caso dereacciones mltiples?


1. Para reacciones en paralelo:

A2 A1, use un reactor de flujo mixto (RAC)

En trminos generales, cuando la reaccin en el producto deseado tiene un orden superioral de la reaccin del subproducto, hay que utilizar un proceso por lotes (Batch) o uno de

tipo flujo pistn. Si la reaccin en el producto deseado tiene un orden inferior a la reaccin

del subproducto, hay que usar uno de tipo RAC.

2. Para reacciones en serie:

Un reactor batch o de flujo de pistn debe ser utilizado para mltiples reacciones en serie.


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Para una conversin del reactor acertada, la alimentacin debe tener un tiempo de

residencia correspondiente en el del reactor. La Alimentacin puede dejarse en el instante

en que entra o permanece durante un perodo prolongado. Del mismo modo, el producto

puede permanecer durante un perodo prolongado o salir de inmediato.

3. Para reacciones en serie-paralelo

Para el subproducto en serie de la reaccin se requiere un reactor de tipo Flujo Pistn,ahora bien si a1> a2, use un reactor discontinuo o flujo pistn. Ahora el subproducto

paralelo de reaccin requiere del reactor de flujo mixto. Por otro lado, la reaccin en serie

del subproducto exige un flujo-pistn. Parecera que, dada esta situacin, algunos niveles

de mezcla entre un tapn-flujo y un flujo mixto del reactor dar la mejor selectividad

general. Esto podra obtenerse por:

Serie de reactores de flujo mixto

Reactor de flujo pistn con un reciclaje Serie combinacin de los reactores de flujo pistn y mezcla de flujo

La disposicin que ofrece la ms alta selectividad global slo se puede deducir de unanlisis detallado y optimizacin del sistema de reaccin.

5. Indique cules son las recomendaciones generales con respecto al efecto de laconcentracin de los componentes que participan en la reaccin, en cada uno de lossiguientes casos:


(a)Reacciones simples irreversibles

En una sola reaccin en la que se produce un subproducto, no puede haber ninguna

influencia en las cantidades relativas de producto y subproducto formado.

As, en estas reacciones el objetivo es reducir al mnimo el costo de capital el reactor, que a

menudo (Pero no siempre) significa minimizar el volumen del reactor, para una dadaconversin del reactor. El aumento de la conversin del reactor aumenta el tamao y por lo

tanto el costo de la reactor, pero disminuye el coste de muchas otras partes del diagrama de

flujo. Debido a esto, el ajuste inicial de reactor.

En cuanto a conversin para las irreversibles es de alrededor del 95%Para los reactores por lotes, debe tenerse en cuenta el tiempo requerida para lograr una

conversin dada.

(b)Reacciones simples reversibles

Para una reaccin reversible es de alrededor de 95% de la conversin en el equilibrio.


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(c)Reacciones mltiples en paralelo

Levespiel 8 edicin

Para las reacciones en paralelo la concentracin de los reactantes constituye la clave para elcontrol de la distribucin del producto. Una concentracin alta del reactante favorece la

reaccin de orden mayor, una concentracin baja favorece la reaccin de orden menor, y

para reacciones del mismo orden la distribucin del producto no depende de laconcentracin del reactante.

(d)Reacciones mltiples en serie

(e)Reacciones mltiples en serie-paralelo

Los costos de las materias primas por lo general dominan la economa del proceso. Debido

a esto, cuando se trata de reacciones mltiples, ya sea en paralelo, serie o mixto, el

objetivo suele ser minimizar la formacin de subproductos (maximizar la selectividad)para una conversin de reactor dada. Para elegir las condiciones del reactor se deben

explotar las diferencias entre la cintica y los efectos de equilibrio en las reacciones

primaria y secundaria para favorecer la formacin del producto deseado en lugar que elsubproducto, es decir, mejorar la selectividad. Cmo hacer una aproximacin inicial para

la conversin es ms difcil que con solo reacciones, ya que los factores que afectan la

conversin tambin puede tener un efecto significativo sobre la selectividad.

Si aumenta la de selectividad a medida que aumenta la conversin inicial el ajuste para laconversin del reactor debe estar en el orden de 95%, y que para las reacciones reversibles

deben estar en el orden del 95% de la conversin de equilibrio. Si la selectividad

disminuye con el aumento de la conversin, entonces es mucho ms difcil dar orientacin.Un ajuste inicial de 50% para la conversin de reacciones irreversibles o 50% de la

conversin de equilibrio para las reacciones reversibles es razonable.

Levespiel 8 edicin

La representacin general de este tipo de reaccin es:

Las reacciones en serie-paralelo pueden analizarse en funcin de sus reacciones

constituyentes en serie y en paralelo, ya que el contacto ptimo para la distribucin

favorable de productos es el mismo que para las reacciones constituyentes.


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6. Cules son los aspectos que se deben tomar en cuenta para la seleccin tanto de latemperatura como de la presin en el reactor?


a) Reacciones Simples

Reacciones endotrmicas.

Temperatura

Si una reaccin endotrmica es reversible, entonces el Principio de Le Chatelier dicta que

en funcionamientos a alta temperatura aumentar al mximo la conversin. Adems, la

operacin a alta temperatura aumenta la velocidad de reaccin, lo que permite la reduccin

del volumen del reactor. As, para las reacciones endotrmicas, la temperatura debe serfijada lo ms alto como sea posible, compatible con la seguridad, los materiales

limitaciones de construccin y la vida del catalizador.

Presin

Disminucin en el nmero de moles. Una disminucin en el nmero de moles para

reacciones en fase de vapor disminuye el volumen de los reactivos que se convierten enproductos. El efecto de un aumento de la presin del sistema es para causar un cambio en

la composicin de la mezcla gaseosa ocupando un volumen menor. Al aumentar la presin

incrementa la conversin de equilibrio. Creciente la presin aumenta la velocidad dereaccin y tambin reduce el volumen. Por lo tanto, si la reaccin implica una disminucin

en el nmero de moles, la presin debe ser tan grande posible. Aunque hay que tener en

cuenta que la presin alta puede ser costosa de obtener a travs de la potencia del

compresor y que la alta presin trae problemas de seguridad.

Las reacciones exotrmicas:

Temperatura:

Las reacciones exotrmicas. En las exotrmicas irreversible la temperatura debe ser tan

grande como sea posible, considerando los materiales de construccin, vida de catalizado yseguridad, con el fin de minimizar el volumen del reactor .Para reacciones reversibles y

exotrmicas, la situacin es ms compleja. Si la reaccin puede proceder mucho tiempo en

equilibrio, entonces sera alcanzar la temperatura de equilibrio. Por lo tanto, si una reaccin

exotrmica es reversible, entonces el principio de Le Chatelier dicta que la operacin a unabaja temperatura aumenta la conversin mxima. Sin embargo, operacin a baja

temperatura disminuye la tasa de reaccin, aumentando as el volumen del reactor.

Entonces Idealmente, cuando lejos del equilibrio se encuentre, es ventajoso utilizar unatemperatura alta para aumentar la velocidad de reaccin. Cuando el equilibrio se acerca, la

temperatura debe ser bajada para aumentar la conversin mxima. Para reacciones

reversibles y exotrmicas, la temperatura ideal se encuentra continuamente decreciente amedida que se incrementa la conversin.


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Presin:

Aumento del nmero de moles. El Principio de Chatelier dicta que una disminucin en lapresin del reactor aumenta la conversin de equilibrio. Sin embargo, la operacin a una

presin baja disminuye la velocidad de reaccin en fase vapor y aumenta el volumen delreactor. Por lo tanto, Inicialmente, cuando lejos del equilibrio se encuentre, es ventajosousar alta presin para aumentar la velocidad de reaccin. Cuando se aproxima al

Equilibrio, la presin debe reducirse para aumentar la conversin.

b) En reacciones mltiples

Temperatura

El objetivo en esta etapa del diseo, cuando se trata con reacciones mltiples, es maximizarla selectividad del reactor en lugar de ceder para reducir al mnimo el volumen, para una

determinada conversin.

Si K1 aumenta ms rpido que k2, operan a alta temperatura (pero cuidando la seguridad,la vida del catalizador y materiales de construccin as como las restricciones).

Si aumenta ms rpido que k2 k1, operan a baja temperatura (Pero teniendocuidado del costo de capital, aunque al aumentar la selectividad, tambin aumenta

el tamao del reactor). Aqu hay una econmica solucin de compromiso entre ladisminucin de la formacin de producto y aumentando del costo capital.

Presin

La presin debe ser elegida para reducir tanto como sea posible la velocidad de las

reacciones secundarias con relacin a la primaria reaccin. Mejorar el rendimiento de la

selectividad o del reactor de esta manera puede requerir cambiar la presin del sistema otal vez la introduccin de un diluyente. Para las reacciones en fase lquida, el efecto de la

presin sobre el volumen de selectividad y el reactor es menos pronunciada, y la presin es

probable que sea elegida para:

evitar la evaporacin de los productos; permitir la vaporizacin del lquido en el reactor de modo que pueda ser condensa

y se somete a reflujo de vuelta al reactor como un medio de eliminar el calor de

reaccin;

permitir la vaporizacin de uno de los componentes en una reaccin reversible conel fin de que los aumentos de eliminacin conversin mxima.

permitir la vaporizacin de alimentacin de vapor directamente en una destilacinoperacin de combinar reacciones con separacin


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Seider, W. D., Seader, J. D., and Lewin, D. R., Product & Process Design

Principles.Synthesis, Analysis and Evaluation, John Wiley & Sons, U.S.A., (2004)

Reacciones qumicas con constantes de equilibrio muy grandes por ejemplo > 10.000 en elreactor, las condiciones de temperatura y de presin proporcionan una oportunidad para

acercarse a una conversin del 100% durante un solo paso.

7. Cules son las reglas generales para la seleccin de la fase en el reactor?


Habiendo examinado la temperatura y presin del reactor, la fase reactor puede ahora ser

considerada. La fase puede ser gas, lquido o multifase. Teniendo en cuenta la libre eleccin

entre gas y de lquido, el funcionamiento en la fase lquida se prefiere generalmente. La fase

lquida reacciona en general ms rpido y por lo tanto conduce a menores volmenes dereactor para fase lquida. Sin embargo, en muchos Sistemas multifsicos de reaccin, las tasas

de transferencia de masa entre las diferentes fases puede ser tan importante como, o incluso

ms importante que la cintica de la reaccin en la determinacin del volumen del reactor. Las

tasas de transferencia de masa son generalmente ms altos en fase gaseosa que en fase liquida.

En tales situaciones, no es tan fcil juzgar si la fase de gas o lquido se prefiere.

Muy a menudo la opcin no est disponible. Por ejemplo, si la temperatura del reactor est por

encima de la temperatura crtica de las especies qumicas, a continuacin, el reactor debe estar

en la fase de gas.

Incluso si la temperatura se puede bajar por debajo de la crtica, una presin extremadamentealta puede ser requerida para operar en fase lquida.

Las reacciones bioqumicas tienen la ventaja de operando bajo condiciones de reaccin suaves

de temperatura y presin y se lleva a cabo usualmente en un medio acuoso en lugar de utilizarun disolvente orgnico.

8. Cules son las variables a tomar en cuenta para la seleccin del catalizador?


La eleccin del catalizador es de crucial importancia. El proceso cataltico puede ser

homogneo, heterogneo o bioqumico.

1. Los catalizadores homogneos. Con un catalizador homogneo, la reaccin tiene lugarcompletamente en cualquiera de los vapores o de lquidos fase. El catalizador puede

modificar el mecanismo de reaccin por la participacin en la reaccin, pero se regeneraen una etapa posterior. El catalizador es entonces libre para promover an ms reaccin.


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2. Los catalizadores heterogneos. En la catlisis heterognea, el catalizador est en una fasediferente de las especies reaccionantes. Muy a menudo, el catalizador heterogneo es unslido, que acta sobre una especie en la fase lquida o gaseosa.

3. Catalizadores bioqumicos. Algunas reacciones pueden ser catalizadas por enzimas. Laatraccin en el uso de enzimas en lugar de microorganismos es una mejora enorme tasa

que puede obtenerse en ausencia de los microorganismos. Es restringida a situaciones enlas que la enzima puede ser aislado y tambin es estable. Adems, la reaccin qumica nohace tienen que atender a las necesidades especiales de las clulas vivas.

Levespiel 8 edicin

La seleccin del catalizador, depender directamente de las condiciones de operacin del

proceso, del tipo de carga a emplear y la pureza requerida parael producto

9. En trminos generales, cules son las principales reglas heursticas para el diseo /seleccin de reactores qumicos?



Un nmero de factores afectan el equilibrio entre el reactor y la separacin secciones son

las siguientes:

1. La conversin fraccional en el reactor del reactivo limitante. Esto afecta directamente ala necesidad y el costo de la seccin de separacin.

2. La temperatura de entrada a y el modo de operacin (adiabtica, isotrmica, perfil de

temperatura programada, etc) para el reactor. Esto afecta a la calefaccin y / oenfriar los costes y de la composicin del efluente del reactor cuando las reacciones

secundarias son posibles.

3. La presin del reactor, en particular para reacciones en fase gaseosa en donde elnmero de reactante molculas es mayor que el nmero de molculas de producto. En

este caso, la reaccin cintica puede favorecer una presin ms alta, pero en el costems alto de compresin de gas.

4. El uso de un exceso de un reactante para minimizar las reacciones secundarias y / oaumentar la velocidad de reaccin. Esto aumenta el costo del sistema de separacin.

5. El uso de un diluyente inerte en un reactor adiabtico de reducir el cambio en latemperatura.Esto aumenta el costo del sistema de separacin.

6. El uso de un gas o corriente de purga de lquido para evitar separaciones difciles. Estoreduce la coste del sistema de separacin, pero los resultados en la prdida de reactivosy puede aumentar elcosto de la seccin del reactor, dependiendo de la purga de


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reciclar relacin (relacin de purga velocidad de flujo para reciclar velocidad de

flujo).



Reglas Heuristicas:

Seleccin de las materias primas y la reaccin qumica

1. Seleccionar las materias primas y la reaccin qumica para evitar o reducir, lamanipulacin y almacenamiento de productos qumicos peligrosos y txicos.

2. Distribucin de productos qumicos: Usar un exceso de reactivo qumico en unaoperacin de reaccin para consumir completamente un reactivo qumico valioso,

txico o peligroso. Las MSDS indicar que qumicos son txicos y peligrosos.

3. Cuando los productos son casi puros se requiere, eliminar especies inertes antes dela operacin de reaccin cuando las separaciones se logran fcilmente y cuando el

catalizador se ve afectado negativamente por el inerte, pero no cuando un gran

calor de la reaccin exotrmica

4. Selectividad:

Por reaccin competitiva, tanto en serie como en paralelo, ajustar la Temperatura, presin,

y cataltica para obtener rendimientos altos del producto deseado. En la distribucin inicial

de la qumica, se supone que estas condiciones puede ser satisfecha. Antes de desarrollarun diseo de caso base

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA1. Coker, A. K., Ludwig' s Applied Process Design for Chemical and Petrochemical

Plants, Volume 1, Fourth Edition, Elsevier, U.S.A., (2007)2. Smith, R., Chemical Process Design and I ntegration, John Wiley & Sons, England,(2005)

3. Seider, W. D., Seader, J. D., and Lewin, D. R., Product & Process Design Pri nciples.

Synthesis, Analysis and Evaluation, John Wiley & Sons, U.S.A., (2004)4. Turton, R., et al., Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes, 2nd ed.,

Prentice Hall, U.S.A., (2003)

5. Douglas, J.M., Conceptual Design of Chemical Processes, McGraw -Hill, U.S.A.,

(1988)6. Smith, R. and Petela, E. A., "Waste Minimization in the Process Industries, Part 2:Reactors", The Chemical Engineer, No. 509/510, pp 17-23, 12 December (1991).

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