“REACTORES TUBULARES O DE FLUJO PISTÓN”

Son sistemas continuos donde existe movimiento estacionario de alguno o todos los reactivos, en una dirección espacial, sin mezcla inducida de los elementos del fluido. . Los diseños concretos presentan múltiples variantes, función principalmente de las necesidades de catálisis o los requerimientos de intercambio térmico.

TUBOS VACÍOS.- Utilizados para procesos homogéneos, donde el reactor está vacío, a excepción del fluido reaccionante APLICACIONES:Oxidación de monóxido a NO2.Cloraciones como la del etileno a DCE.Sulfatación de olefinas.

TUBOS RELLENOS.- Utilizados en procesos heterogéneos, donde el reactor está lleno de catalizador u otros sólidos en forma de lechos fijos .

APLICACIONES: altos hornos (lecho sólido de mineral). la síntesis de amoniaco y metanol (clásicos

multitubulares).oxidación del dióxido de azufre (lechos múltiples

de bandejas superpuestas en la línea de flujo).hidrogenación del benceno (catalizador con goteo

líquido frente a una corriente de gas hidrógeno ascendente)

craqueo catalítico (en lecho fluido)

Gradientes de velocidad.- Son consecuencia de la viscosidad, que hace que la velocidad del fluido sea menor cerca de las paredes que en el centro del reactorGradientes térmicos.- Se deben al calor de reacción o al intercambio calorífico del reactorDifusión.- La difusión entre elementos del fluido tiene como orígenes los gradientes de concentración (difusión molecular).El reactor de flujo pistón trabaja en estado estacionario. Esto significa que las propiedades no varían con el tiempo. Se dice que un fluido circula por un tubo en flujo pistón cuando no existen gradientes radiales y cuando no hay ningún tipo de mezcla (no existe difusión) axial.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

El reactor de flujo pistón trabaja en estado estacionario.

El flujo en pistón es una idealización de un determinado flujo, es un modelo matemático.

las propiedades no varían con el tiempo pero sí con la posición en el reactor.

ECUACIÓN DE DISEÑO:Hemos visto anteriormente que las

propiedades de un reactor de flujo pistón varían con la posición. Por esta razón, si tenemos que aplicar balances de materia tenemos que utilizar diferenciales de volumen de reactor.

Con referencia a la Fig. 1 observamos que para el volumen Entrada de A, moles/tiempo = FASalida de A, moles/tiempo = FA + dFADesaparición de A por reacción, moles/tiempo

= (- rA) dV

Introduciendo estos tres términos obtenemos:

Operando se obtiene la ec. 1

Por la definición de conversión para reactores en flujo

Sustituyendo en la Ec. (1):

Integrando la expresión anterior

Si resolvemos nos queda

 

Si queremos poner la expresión anterior en función de la concentración

Sustituyendo en la Ec. 2:

Luego podemos escribir Ec. 3:

Para sistemas de densidad constante, si tenemos en cuenta la definición de conversión para reactores en flujo

sustituyendo la última expresión en la Ec. 3 obtenemos ec. 04 :

REACTOR DE FLUJO PISTÓN ISOTÉRMICOEn los reactores de flujo pistón isotérmicos la

temperatura no varía con la posición en el reactor. Además varía con el tiempo por tratarse de un reactor de flujo pistón en estado estacionario.

Para ese caso utilizaremos como ecuación de diseño la expresión (4)

UTILIZACIÓN DEL REACTOR DE FLUJO PISTÓN PARA LA DETERMINACIÓN DE LA ECUACIÓN

CINÉTICAEl reactor de flujo pistón puede funcionar

como reactor diferencial o como reactor integral.

. Sin embargo nos podemos aproximar a este tipo de comportamiento diferencial trabajando a conversiones pequeñas, es decir haciendo que

con estos valores de concentración obtendríamos una velocidad media constante para todo el reactor.

Para conseguir este comportamiento diferencial tenemos que trabajar con valores de V/FA0 pequeños.

Cuando el reactor de flujo pistón es de tipo integral, las variaciones de velocidad de reacción en el reactor son apreciables. Esto se consigue con conversiones de reacción elevadas, es decir, valores de V/FA0 grandes.

Reactores de flujo pistón diferencialesPartimos de la ecuación de diseño para un reactor de flujo pistón

por lo tanto

experimentalmente tendremos que realizar ensayos modificando la concentración de entrada CAE. Medimos experimentalmente la CAS, que será prácticamente igual a la de entrada. Con los dos valores calculamos un valor de  concentración media

para calcular cada concentración media

tendremos un valor de velocidad media, A continuación aplicamos el método diferencial

= suponemos una y representamos

En el caso de no obtener una línea recta suponemos una nueva hasta obtener un comporamiento lineal.

Para reacciones del tipo

aplicando logaritmos

podemos representar ln(Ca) frente a ln(-rA)para obtener el orden de reaccion de la pendiente y el valor de la constante cinetica de la ordenada.

EJERCICIO DE APLICACIÓN:

La reacción elemental en fase gas: A 2B +CEs llevada a cabo a 10 atm y 127 °C usando A puro como alimento. La constante de velocidad de reacción a 50 °C es 0.00012 min-1 y la energía de activación es 85 KJ/mol. ¿Calcular el volumen del reactor PFR y el tiempo espacial para alcanzar una conversión del 90% con una velocidad de flujo molar de 2.5 mol/min.

DESARROLLO:  

POR DATO: = 2.5 mol/min P= 10 atm T= 127 °C = 400.15 °KXA=0.9APLICANDO LAS ECUACIONES PARA UN REACTOR

PFR:

como estamos trabajando en fase gas y a volumen variable :

 

HALLANDO : Siendo

 

 HALLANDO

HALLANDO K2:

Generalizando:

  Siendo:

REEMPLAZANDO DATOS OBTENIDOS: 

 HALLANDO EL TIEMPO ESPACIAL ()

 

GRACIAS