Instituto tecnologico deorizaba




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Reactores físicos.

En esta clasificación se incluye la modalidad de transferencia de calor (isotérmicos, adiabática y de otra índole), el grado de retro mezclado y la cantidad y las clases de fases comprendidas. Los factores están casi siempre tan íntimamente asociados con los factores químicos del proceso, que no siempre es posible separarlos.

MODALIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Para obtener un rendimiento máximo de la reacción, quizá sea necesario diseñar una modalidad de transferencia de calor tal que se obtenga la programación de la temperatura optima. Esta programación de la temperatura puede ser isotérmica, adiabática o algún otro perfil de temperatura predeterminado y establecido según los balances de materia y energía.

En una reacción exotérmica, cuando la cantidad de calor liberado es tal que la velocidad de reacción se sustenta a pesar de la concentración decreciente del reactivo, es preferible emplear un reactor de tanque agitado. Por otro lado, conviene usar un sistema de reactor tubular de flujo con intercambiadores de calor externo cuando se tenga una cantidad excesiva de calor que ejerza un esfuerzo desfavorable en la conversión de equilibrio. En este caso es factible usar un reactor tubular de flujo, o bien un sistema de reactor discontinuo de tanque agitado inyectando en varios puntos cierta dosificación de la alimentación.

Cuando se trata de reacciones endotérmicas, conforme la temperatura desciende al desarrollarse la reacción, tanto la velocidad de reacción como la conversión de equilibrio disminuirán. En estas circunstancias, los procesos generales se controlan a través de la velocidad de la transferencia de calor, en cuyo caso se requerirán intercambiadores de calor entre las etapas. Por lo tanto, el diseño de los intercambiadores de calor adoptará quizá el papel más importante que la reacción misma del tipo de reactor. No obstante, casi siempre se prefiere usar en este caso un reactor tubular de flujo.

GRADO DE RETROMEZCLADO.

Este factor varia desde un máximo para un reactor de retro mezclado, hasta un mínimo para un reactor ideal de flujo tapón. El grado de retro mezclado para reactores prácticos se ubica entre estos dos extremos.

CLASES DE FASES COMPRENDIDAS.

Muchas reacciones catalizadas con un sólido se llevan a cabo en reactores tubulares llenos. Entre los ejemplos sobresalientes se incluyen la síntesis del amoniaco, la oxidación de SO2 y la disociación catalítica de los hidrocarburos de petróleo. Sin embargo, también se usa una gran cantidad de variantes de los reactores básicos (es decir, tubulares y de tanque agitado) así como de otros de diseño especial. Entre estos están los de lecho fluidizado, los de fase dispersada, hornos de secado y hornos de crisol, así como torres de absorción de gas.

      1. Selección del tipo de reactor en base al número y clase de fases presentes.

A partir de una gran cantidad de conocimientos y experiencias ahora disponibles respecto a la cinética de reacción aplicada, puede demostrarse que las reacciones y los reactores químicos quedan mejor clasificados según el numero y clases de fases presentes. Este método de clasificación permite compaginar las necesidades de la reacción (tiempo de residencia, temperatura, presión, agitación, resistencia a la corrosión) con las características del reactor para que sea capaz de permitir dichas necesidades. Los varios tipos de reactores químicos (tubos cortos rellenos, tubos largos vacíos, recipientes agitados y lechos fluidizados) poseen características bastante diferentes respecto a agitación, caída de presión, distribución de tiempos de residencia, y materiales de construcción. Teniendo en cuenta las necesidades especiales de la reacción y las características de los reactores, es posible compaginarlos y así escoger el reactor adecuado para la reacción particular en cuestión.

En base a lo descrito anterior tenemos la siguiente clasificación:

Tipo de reacción

Reactor aconsejable para la reacción

Homogénea: fase gaseosa

Tubular vacío, continuo

Homogénea: fase líquida

Tubular vacío o recipiente agitado, continuo

Heterogénea: líquido-líquido

Recipiente agitado, por cargas o continuo

Heterogénea: líquido-gas

Recipiente agitado, semicontinua o continuo.

Torre de absorción continuo.

Heterogénea: líquido-sólido

Recipiente agitado, por carga o continuo

Columna de relleno, continuo

Heterogéneo: líquido-sólido-gas

Tubos cortos rellenos (sólidos estacionarios, gas en circulación),

lecho de relleno fijo grande (adiabático)(sólidos estacionarios, gas en circulación),

lecho móvil (sólidos de gran tamaño descendentes, gas ascendente), sólidos fluidizados (gas ascendente, sólidos circulando bien mezclados).

Antes de realizar una selección del reactor químico se necesita tener una serie de datos:

  1. Las condiciones de reacción: debe determinarse mediante trabajos de laboratorio la temperatura, presión, caudales, catalizadores, concentraciones, tiempos de reacción, conversiones y rendimientos. Pueden obtenerse de un solo experimento, pero se debe disponer de datos experimentales. No es necesario determinar la cinética o el mecanismo de la reacción, pero debe realizarse una determinación experimental de las condiciones de reacción, geometría del reactor, conversión y rendimiento.

  2. El calor de reacción: es necesario conocer el calor desprendido o absorbido por la reacción, o sino estimarlo con bastante exactitud. Normalmente el calor de reacción debe estimarse (lo que no es difícil) debido a que es difícil su medición. El calor de reacción desprendido (o absorbido) por unidad de volumen y unidad de tiempo en el reactor. A partir de este dato el diseñador puede poseer una idea bastante clara sobre la capacidad necesaria de intercambio de calor del reactor.

  3. Las necesidades de agitación y mezcla de reacción: la mezcla de las sustancias contenidas en el reactor puede que tenga que ser intensa (para dar lugar a una transferencia de masa y calor) o nula (como en el caso de mezclas homogéneas de gases y líquidos). Una intensa agitación necesita de equipos e instalaciones mecánicamente bastante complejas y que pueden presentar muchos problemas de coste y relación de materiales.

  4. El material de construcción del reactor y del equipo auxiliar: si el poder corrosivo de la masa reaccionante es pequeño, el reactor puede construirse en materiales convencionales (acero) y casi con cualquier forma. Por el contrario si existe un problema importante de corrosión y deben utilizarse materiales cerámicos, el tamaño y la forma, a la vez que las características de transmisión de calor y transferencia de materia quedan fuertemente restringidas.

Utilizando la clasificación de las reacciones dadas, tenemos:

HOMOGÉNEAS: Fase gaseosa.

Básicamente el reactor consiste en múltiples tubos pequeños conectados en paralelo y que trabajan en continuo. Las reacciones son rápidas en un segundo o menos, las velocidades de flujo altas, y los efectos caloríficos elevados y normalmente endotérmicos (aunque existan reacciones exotérmicas). La transmisión de calor es mala, el flujo turbulento (flujo pistón) y la temperatura es siempre bastante alta. Deben utilizarse materiales resistentes al calor y el diseñador debe tener muy en cuenta aunque estén en pequeñas cantidades a los gases corrosivos (oxigeno o cloro).

Utilícese:

  • Caída de presión: 0.2 libras/pulg2./pie

  • Tubos de acero inoxidable de 2 pulgadas de diámetro y 20 pies de longitud.

  • Densidad del flujo másico del gas: 3000 libras m/(hr)(pie2)

En las reacciones endotérmicas puede aportarse calor mediante hornos de radiación (utilícese 18 000 Btu / (hr) (pie2)). Tanto para calentamiento como refrigeración se puede utilizar un coeficiente global de 5 Btu / (hr) (pie2) (0F). debe conocerse la temperatura de seguridad por rotura de los tubos que dependerá de la presión interna. En una primera aproximación utilícese para el acero inoxidable 1200 0F.

Ejemplos: pirolisis de hidrocarburos ligeros a etileno, propileno y acetileno; nitración de parafinas (exotérmicos); des metilación térmica de tolueno.

Homogéneas: fase líquida.

Se utilizan recipientes bien agitados tanto en reacciones por cargas como en continuo. Úsese un reactor tubular solamente para reacciones continuas. Se puede emplear un único recipiente agitado o una combinación en serie de dos, tres o cuatro. Casi siempre se utilizan cuatro.

  1. Recipientes agitados. Utilizar recipientes con agitador de turbina y cortacorrientes; un consumo de potencia de 2 hp/1000 galones; supóngase el contenido del recipiente completamente mezclado; un coeficiente de transmisión de calor al encamisado o serpentín de 250 Btu / (hr) (pie2) (0F). si las necesidades de transmisión de calor son excesivas, utilizar un intercambiador exterior. El tamaño del mezclador (tiempo nominal de residencia) se determina a partir de los experimentos de laboratorio.

  2. Reactores tubulares. El reactor tubular puede utilizarse para reacciones con poco o nulo calor de reacción. En este caso el flujo puede ser laminar, el tubo largo y la temperatura y presión fácilmente controlados. La distribución de tiempo de residencia puede tomarse como los de flujo pistón aunque el modelo sea flujo laminar.

si la reacción es mas rápida o el calor de reacción mayor (pero no elevado) es necesario flujo turbulento. Puede utilizarse entonces una velocidad de 5 pies/seg, un coeficiente de transmisión de calor de 25 Btu / (hr) (pie2) (0F) y una caída de presión (libra/pulg2./pie): 0.7/D (donde D es el diámetro en pulgadas del tubo). La distribución de los tiempos de residencia será igual a la del flujo pistón.

Muchas veces se conecta en serie recipientes agitados y reactores tubulares. Las primeras y rápidas fases de la reacción se llevan a cabo en el tanque agitado, donde la transmisión de calor es mejor y luego en el reactor tubular tienen lugar las menos intensas pero mas largas.

Ejemplo: polimerización en continuo de estireno.

Heterogéneas: líquido-líquido.

En este caso se necesita de una buena dispersión y transmisión de calor. Utilícese recipientes agitados con turbina y cortacorriente con un consumo de 5 hp/1000 galón; U=150 Btu/ (hr) (pie2) (0F); prever una cámara exterior para la separación de fases, o, si se necesita una rápida separación, utilícese una centrifuga.

Ejemplo: nitración de tolueno con mezcla de ácidos.

Heterogéneas: líquido-gas.

Utilícese tanques agitados con cortacorriente y agitación con turbina; úsese 10 hp/1000 galón para líquidos no gasificados y una velocidad de:

0.2 pies / seg para gases que se absorben en su mayor parte.

0.1 pies / seg para gases que se absorben en un 50 %.

0.05 pies / seg para gases que en su mayor parte no se absorben.

Tómese U=100 Btu / (hr) (pie2) (0F); supóngase que la fracción del volumen reaccionante que es gas, es 0.20.

Ejemplos: oxidación con aire u oxigeno de p-xileno a ácido tereftálico.

Heterogéneas: líquido-sólido.

Utilícese recipientes agitados con turbina y con rompe corrientes; con una potencia de 10 hp/1000 galón, una relación longitud/diámetro del recipiente: 2; U=100 Btu / (hr) (pie2) (0F), coeficiente de transmisión de la masa liquida, kL=3.5 pie/hr; si se utiliza un catalizador finamente dividido puede utilizarse 5 libras solido / pie3 de suspensión.

Ejemplos: disolución de sales sólidas; extracción de arenas con ácidos.

Heterogéneas: líquido-sólido-gas.

  1. Recipiente agitado. Agitado con turbina, con cortacorrientes al máximo, 10 hp/1000 galón; U=100 Btu / (hr)(pie2)(0F); ; velocidad del vapor entre 0.05 y 0.2 pie/seg; contenido en solidos 5 libras solidos / pie3 de suspensión; fracción de gas en la suspensión 0.2.

Ejemplos: hidrogenación de aceite de semillas de algodón; producción de hidrocarburos ligeros a partir de CO2 e H2.

  1. Reactor de lecho fijo de goteo. Salidas estacionarias, liquido en descenso y gas ascendente. El diseño es análogo al de una torre de absorción. Utilizar g=1000 libras / (hr)(pie2) o 3 pie/seg como velocidad superficial, L=1500 libras m/(hr)(pie2). El calor de reacción debe ser pequeño.

Ejemplo: hidrosulfuración de fracciones de petróleo.

Heterogéneas: sólido-gas.

  1. Reactor tubular de pequeños tubos con relleno. Salidas estacionarias, con el gas en movimiento ascendente o descendente. Utilícense tubos de 1.5 pulgadas de diámetro; tamaño de las partículas solidas 0.20 pulgadas; caída de presión menor del 15% de la presión de las aguas arriba, en reacciones exotérmicas puede esperarse un fuerte aumento de la temperatura.

Ejemplos: oxidación del o-xileno a anhídrido ftálico; síntesis de cloruro de vinilo a partir de ácido cianhídrico y acetileno.

  1. Reactor de lecho grande con catalizador y en operación adiabática. No existe transmisión de calor, el calor de reacción se absorbe o es proporcionado por cambios en el calor sensible en el gas. Muchas veces se mezcla con los reactantes grandes cantidades de gases inertes como diluyentes. La caída de presión y los caudales se utilizan en valores análogos a la de los tubos con relleno. El diámetro del lecho puede ser tan grande como se desee. La distribución del gas puede ser un problema.

Ejemplo: hidrolisis en fase vapor de cloro benceno a fenol.

  1. Reactor de lecho fluidificado.

  1. Velocidad del gas 0.5 pie/seg.

  2. Modelo de flujo del gas, mezcla perfecta. Considérese el reactor de lecho fluidificado como un recipiente de mezcla perfecta.

  3. Coeficiente global de transmisión de calor a la superficie sin recubrimientos. 50 Btu/ (hr)(pie2)(0F).

  4. Caída de presión por pie de altura del lecho 0.3 libras/pulgada2. Dado que pueden necesitar grandes cantidades de gas dimensiónese y calcúlese la potencia del ventilador o soplante.

  5. Prevéase una longitud supletoria del 100% de la longitud del reactor para expansión del lecho y receptáculo de la elutriación de los sólidos.

  6. Los solidos se elutriarán del lecho. Prever ciclones separadores y filtros de gases. Suponer una velocidad de elutriación de 0.01 libras m/(pie2)(seg.).

    1. Factores sociales.

Los factores comprendidos en esta clasificación no se evalúan directamente en términos monetarios, pero si pueden influir en la decisión del tipo de reactor que se adquiera. Por ejemplo, una de las clases puede ser mas segura en su funcionamiento que otras. Es mas la característica del diseño de un reactor llega a facilitar la operación simplificando con ello la labor de los trabajadores.

Algunas clases de reactores generan desechos que son difíciles de tratar y tienden a contaminar el ambiente.
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