Diseño de reactores de lecho empacado

Diseño de reactores de lecho empacado

EMPEZAR

Algoritmo de diseño

ÍNDICE

Balance de moles PBR

Tabla Estequiométrica

Caída de presión en PBR

Ecuación de Ergun

Flujo a través de un lecho

Solución analítica

Problema

Video Solución

Problema extra

Solución

GRACIAS

Algoritmo de un PBR isotérmico

step 1

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PASO 2

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PASO 3

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PASO 4

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PASO 1

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step 1

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PASO 2

Ley Cinética

PASO 3

Estequio-metría

PASO 4

Combina- ción

PASO 1

Balance Molar

Balance de moles para un pbr

Balance de moles para un PBR

Ecuación de diseño para un PBR

Ecuación de diseño para un reactor de lecho empacado

Ecuación de diseño en función de la conversión para un PBR

Ecuación de diseño en función de la conversión

Peso de catalizador en función de la conversión deseada

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tabla estequiométrica

Una vez establecida la base de cálculo, el siguiente paso es definir la conversión (XA), que relaciona los moles de A reaccionados por los moles de A iniciales. =Fj0/FA0

Tabla estequiométrica

Se debe considerar la siguiente reacción: aA+bB →cC+dD Tomando como base de cálculo al reactivo A (reactivo limitante),

Tabla estequiométrica Sistema de flujo continuo (V=cte)

Tabla estequiométrica Sistema de flujo continuo (V=variable)

Tabla estequiométrica Sistema de flujo continuo (V=variable)

Caída de presión en reactores

Caída de presión en reactores isotérmicos

La caída de presión se desprecia para cálculos de cinética en fase líquida. Sin embargo, para reacciones en fase gaseosa, la concentración de las especies reaccionantes es proporcional a la presión global, en consecuencia, tomar en cuenta los efectos de la caída de presión es muy importante para el diseño exitoso de un reactor.

Caída de presión y ley de velocidad

Si por ejemplo se efectua una reacción de isomerización de segundo orden

La ley de velocidad es:

Caída de presión y ley de velocidad

Estequiometría

La ley de velocidad puede escribirse como:

Caída de presión y ley de velocidad

Asumimos operación isotérmica (T=T0)

Caída de presión y ley de velocidad

Sí: 𝐹𝐴0=𝑣0 𝐶𝐴0

Ecuación de Ergun

Flujo laminar

Flujo turbulento

Ecuación de Ergun

El único parámetro que cambia al calcular la caída de presión con la ecuación de Ergun es la densidad del gas ρ

Despejar ρ y sustituir v

Ecuación de Ergun

Ecuación de Ergun

Simplificando tenemos:

Dónde:

Flujo a través de un lecho empacado

En los reactores tubulares empacados nos interesa más el peso del catalizador que la distancia z a lo largo del reactor

Dónde: 𝐴𝑐=Área de la sección transversal 𝜌𝑏=Densidad volumétrica del catalizador= masa de catalizador×volumen del lecho del reactor=𝜌𝑐 (1−𝜙)

Flujo a través de un lecho empacado

Despejar z y sustituir en la Ecuación diferencial

Simplificando:

y=P0/P

Flujo a través de un lecho empacado

Donde:

Ecuación de Ergun en términos de la conversión

Dividir entre FT0

Donde:

Flujo a través de un lecho empacado

Forma diferencial de la ecuación de Ergun para caída de presión en lechos empacados.

Para una operación isotérmica

Solución analítica. Si Ɛ=0 y T0=T

Si Ɛ=0 y T0=T

Reacomodando

Derivamos

Integrando con y=1 (P=P0) en W=0

Raíz cuadrada

Problemas

Problema

El acetato de etilo es un disolvente que se usa mucho y que se puede formar por la esterificación en fase vapor de ácido acético y etanol. La reacción se estudio usando una resina micro porosa como catalizador en un reactor de lecho empacado [Ind. Eng. Chem. Res. 26(2), 198(1987)]. La reacción es de primer orden respecto al etanol y de pseudo-cero orden con respecto al ácido acético. Con una velocidad de alimentación equimolar de ácido acético y etanol, la contante de velocidad de reacción especifica es de 1.2 dm3/g cat min. La velocidad de alimentación molar total es de 10mol/min, la presión inicial es de 10 atm, la temperatura es de 118°C y el parámetro de caída de presión, es igual a 0.01g-1(α). a) Calcule el peso máximo del catalizador que se ´podría usar manteniendo una presión en la salida de más de 1 atm. b) Determine el peso del catalizador necesario para alcanzar una conversión de 90%. Observe cuál sería el catalizador necesario para lograr el último 5% (85% a 90%) de conversión, y el peso necesario para lograr el primer 5% (0 a 5%) de la conversión en el reactor.

Video Solución

Problema extra

La reacción irreversible en fase gaseosa de pentano normal a iso-pentano se efectúa en un reactor de lecho empacado. Actualmente se empacan 1000 kg de catalizador reformador en un tubo de 4 cm de diámetro, las partículas del catalizador tienen un diámetro de 0.5 cm y la densidad volumétrica del catalizador empacado es de 100 kg/m3. Bajo estas condiciones la conversión que se alcanza es del 14.1%. La presión en la entrada del reactor es de 20 atm. La caída de presión es de 11 atm. Se cree que esta reacción está limitada por la difusión interna. Sabemos que si hay limitaciones por la difusión interna la velocidad de reacción varía inversamente con el tamaño de las partículas del catalizador. Por lo tanto, uno de los ingenieros sugiere moler el catalizador para reducir su tamaño de partícula señalando que el tamaño más pequeño que se puede obtener es el de 0.01 cm y que hay tubos de otros tres tamaños disponibles en los que se podría empacar el catalizador. Estos tubos son resistentes a la corrosión y al calor, que se pueden cortar en tramos de cualquier longitud, tienen diámetros de 2, 3 y 6 cm. a) ¿Qué conversión se podría alcanzar con el mismo peso del catalizador si no hubiese caída de presión? b) Calcule el valor máximo de parámetro de caída de presión (α) que se puede tener sin que la presión de la salida del reactor baje de 1 atm. c) ¿Qué pasaría si cambia el tamaño de partícula catalítica y el diámetro del tubo sin alterar el peso del catalizador (1000 kg)? d) Para las condiciones del inciso b, elija un tamaño de tubo y calcule un nuevo tamaño de partícula. Suponga flujo turbulento.

Solución problema extra

GRACIAS