SISTEMA DE REACTORES MÚLTIPLES

I N T R O D U C C I Ó N

Hasta ahora hemos considerado la expresión matemática, denominada ecuación cinética, que describe el transcurso de una reacción homogénea. La ecuación cinética para una reactante i es una magnitud intensiva y nos dice con qué rapidez se forma o desaparece el componente i en un entorno dado en función de las condiciones allí existentes.

Ahora bien el tema a tratar en el presente estudio podemos analizar la combinación de los procesos físicos y químicos a los efectos del diseño del reactor se hace recurriendo a las ecuaciones de las leyes de conservación de la materia y la energía para cada tipo de reactor. Para el diseño del proceso debe disponerse de información proveniente de diferentes Unidades Curriculares las cuales no son más que la de Termodinámica Aplicada, La presente Materia (Cinética y Conversiones Catalíticas), Química Orgánica, Flujo de Fluido, Transferencia de Calor y Transferencia de Materia.

Por otra parte para el diseño de un reactor hemos de conocer el tamaño y tipo de reactor, y las condiciones de operación más adecuadas para el fin propuesto. Como esto puede exigir que las condiciones en el reactor varíen con la posición y con el tiempo, es necesario efectuar la integración adecuada de la ecuación cinética para las condiciones de operación. Esta integración puede presentar dificultades debido a que la temperatura y la composición del fluido reaccionante pueden variar de un punto a otro del reactor, dependiendo del carácter exotérmico o endotérmico de la reacción y de la velocidad de intercambio de calor con los alrededores. Por consiguiente, antes de poder predecir el funcionamiento de un reactor hemos de tener en cuenta muchos factores, constituyendo el principal problema del diseño el conocimiento del modo más adecuado de tratar estos factores.

SISTEMA DE REACTORES MÚLTIPLES

SISTEMA DE REACTORES FLUJO EN PISTÓN:

El reactor de flujo en pistón supone un mezclado completo en la dirección radial, pero no permite ninguna difusión en dirección del flujo (no hay agitación). Como resultado, los perfiles de velocidad, temperatura y composición son planos en cualquier área transversal perpendicular al flujo, pero la composición varía a lo largo de la trayectoria de flujo. Es decir, se caracterizan por un gradiente continuo de concentraciones en la dirección del flujo, en contraste con el gradiente escalonado característico de los reactores CSTR, y están constituidos por uno o varios conductos o tubos en paralelo.

Los reactivos entran continuamente por un extremo y los productos salen por el otro. Normalmente se alcanza el estado estacionario, lo que significa una gran ventaja para el control automático y para el trabajo experimental. Es tan común la disposición horizontal como la vertical.

Un número determinado de reactores con flujo en pistón conectados en serie, que representa un volumen total V conectados en serie, permiten el mismo grado de conversión que el que se obtiene con un solo reactor de tamaño V.

SISTEMA DE REACTORES DE FLUJO EN PISTÓN EN SERIE:

Considerando N reactores tubulares conectados en serie donde las conversiones a la salida de cada reactor son .... para el componente A.

Fig.4.5.1. A

Analizando el i-ésimo reactor, la ecuación de diseño es:

Si es constante en todos los reactores, para N reactores en serie tenemos:

Por lo tanto, se concluye que trabajando con N reactores de flujo en pistón en serie con un volumen total V se obtiene la misma conversión que la obtenida con un solo reactor de flujo en pistón de igual volumen.

SISTEMA DE REACTORES DE FLUJO EN PARALELO:

Fig.b

Al observar estos arreglos surge la pregunta: ¿Qué fracción de la alimentación se envía por cada una de las ramas para obtener una conversión máxima?

Realizando el siguiente análisis para calcular dicha fracción.

La conversión de salida del sistema es:

Si:

Y:

Despejando :

Si, además:

;

Sustituyendo las expresiones obtenidas resulta:

Así para obtener la máxima conversión se tiene:

De donde se obtiene:

Entonces, la conversión máxima equivale a obtener la misma conversión en ambas ramas del sistema, cualquier otra relación de alimentación a reactores en paralelo es ineficaz.

Esta es una condición inicial para obtener relaciones de los volúmenes de los reactores a utilizar

REACTORES DE MEZCLA COMPLETA DESIGUAL TAMAÑO CONECTADOS EN SERIE:

Cuanto mayor sea el número de reactores conectados en serie el comportamiento del sistema se asemejara más al flujo de pistón.

La ecuación de diseño del reactor puede escribirse como

O bien

Como todos los reactores tienen el mismo volumen y por lo tanto el mismo Ti tenemos:

Y para todo el sistema:

Obsérvese que para N  ∞ esta expresión tiende a la ecuación del Reactores de flujo en pistón en serie y/o en paralelo:

(Figura: 6-7) 

O sea que el comportamiento de una serie de muchos reactores de mezcla completa en serie tiende al de un reactor de flujo pistón de igual volumen al volumen total de la serie. Esta conclusión puede generalizarse para otros órdenes de reacción.

REACTORES DE FLUJO EN MEZCLA COMPLETA DE TAMAÑO DIFERENTES EN SERIE:

Para

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