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En este presente trabajo se abordara sobre la importancia de los diferentes modelos de mezclado en los reactores no ideales, analizando las variables que afectan este tipo de modelos, diagramas para representar cada uno de los reactores, su importancia y ecuaciones de diseño y sus aplicaciones que estos tengan en la industria

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Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán

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Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán

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División: Ingeniería Química

Materia: Reactores Químicos

Integrantes: Alfonso Monroy Trejo

Carlos Mejía Delgado

Joanna Gonzales Cruz

Jovani Margarito Nicolás

Jaqueline García Flores

Grupo 601 Matutino

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Reactores no Ideales. Distribución del Tiempo de Residencia

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Definición:

El reactor de tanque agitado continuo (CSTR), también conocido como reactor de tina o mezcla posterior, o un reactor de tanque agitado de flujo continuo (CFSTR), es un modelo común para un reactores químicos en INGENIERÌA QUÌMICA.

Características:

Un reactor con depósito

Un sistema de agitación para mezclar los reactantes (agitador o introducción de flujo rápido de reactantes)

Tuberías de entrada y salida para introducir reactantes y retirar los productos

Variables:

1. Tiempo espacial (T)

2. Caudal molar de alimentación (FA0)

3. Caudal volumétrico (Q)

Ecuación de diseño:

La ecuación de diseño relaciona las variables clave del reactor. Para un sistema de densidad constante, la concentración de A se expresa como:

cA​=cA0​⋅(1−xA​)

, donde (c_{A0}) es la concentración inicial de A y (x_A) es la conversión de A.

La ecuación de diseño del CSTR se simplifica a:

V⋅cA0​⋅FA0​=cA0​−cA​⋅(−rA​)

, donde (V) es el volumen del reactor, (F_{A0}) es el flujo molar de A, y (-r_A) es la velocidad de reacción

Ejemplos:

1. Reacciones de Síntesis Química:

Producción de productos químicos básicos.

Síntesis de compuestos orgánicos.

Fabricación de polímeros.

2. Reacciones de Fermentación:

Producción de productos alimenticios, como la fermentación de productos lácteos.

3. Reacciones de Biorremediación:

Los CSTR también se utilizan en procesos de biorremediación para tratar contaminantes en el medio ambiente.

4. Reacciones de Neutralización:

En la neutralización de ácidos y bases, los CSTR pueden ser útiles para mantener una concentración constante de reactantes.

5. Reacciones de Hidrólisis:

La hidrólisis de compuestos orgánicos también puede llevarse a cabo en reactores CSTR.

6. Reacciones de Esterificación:

La producción de ésteres, que son importantes en la industria de fragancias y sabores, puede realizarse en CSTR.

7. Reacciones de Polimerización:

La síntesis de polímeros, como el polietileno o el polipropileno, se lleva a cabo en reactores CSTR.

8. Reacciones de Descomposición Térmica:

Algunas reacciones de descomposición térmica también pueden ocurrir en CSTR

Aplicaciones industriales:

1. Producción de Productos Químicos Básicos:

Los CSTR se emplean en la síntesis de productos químicos fundamentales, como ácidos, bases y otros compuestos esenciales para la industria.

2. Síntesis de Compuestos Orgánicos:

Los CSTR son útiles para la producción continua de compuestos orgánicos, como alcoholes, ésteres y otros derivados.

3. Fabricación de Polímeros:

La síntesis de polímeros, como el polietileno o el polipropileno, se lleva a cabo en reactores CSTR.

4. Reacciones de Fermentación:

En la industria alimentaria, los CSTR se utilizan para la fermentación de productos lácteos y otros alimentos.

También se aplican en la producción de productos químicos, como el ácido láctico, mediante procesos de fermentación.

5. Tratamiento de Residuos:

Los CSTR se emplean en el tratamiento de aguas residuales y en la degradación de contaminantes.

6. Industria Cervecera y Farmacéutica:

En la fabricación de cerveza y la producción de antibióticos, los CSTR son esenciales para mantener condiciones de reacción estables y uniformes.

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Definición:

Es un tipo de reactor químico en el que los reactantes fluyen continuamente a través de un tubo o sistema de tuberías, y las reacciones químicas ocurren mientras los reactantes se desplazan a través del reactor.

Características:

Flujo continuo y no necesariamente constante de las corrientes de entrada y salida (flujo de tipo pistón dentro del reactor).

Trabajan en régimen estable, por lo que las características no cambian en función del tiempo en una posición dada

Los reactivos entran al reactor y fluyen a través de él en dirección axial. Durante el recorrido, los reactivos se consumen y la conversión aumenta con la longitud.

Variables:

(V) es el volumen del reactor.

(x_A^f) es la conversión final de los reactantes.

(r_A) es la velocidad de reacción.

Ecuación de diseño:

La ecuación de diseño del PFR relaciona el volumen del reactor con la conversión de los reactantes. Se expresa como sigue: [ V = \int_{x_Af}{0} \frac{d x_A}{-r_A} ] donde:

(V) es el volumen del reactor.

(x_A^f) es la conversión final de los reactantes.

(r_A) es la velocidad de reacción.

También podemos expresarla en función del tiempo espacial ((\tau)), teniendo en cuenta que (\tau = \frac{c_{A0} V}{F_{A0}}): [ \tau = c_{A0} \int_{x_Af}{0} \frac{d x_A}{-r_A} ] donde:

(c_{A0}) es la concentración inicial de los reactantes.

(F_{A0}) es el flujo molar de los reactantes al reactor.

Ejemplos:

1. Ejemplo 1:

Se ha determinado el tamaño de un reactor de flujo pistón necesario para un fin determinado (99% de conversión de la alimentación de A puro) era de 32 litros.

2. Ejemplo 2 (hipotético):

Imagina que estás diseñando un reactor PFR para la síntesis de un producto químico. La reacción es de primer orden y se lleva a cabo a una temperatura constante. Deseas alcanzar una conversión del 80% de los reactivos.

3. Ejemplo 3:

Por ejemplo, en la producción de compuestos orgánicos, polímeros, intermediarios farmacéuticos y otros productos químicos a gran escala

Aplicaciones Industriales:

1. Producción Continua:

Los reactores PFR son ideales cuando se requiere una producción constante y continua de productos químicos. Su diseño permite un flujo continuo de reactantes y productos, lo que es beneficioso para procesos industriales a gran escala

2. Reacciones Exotérmicas y Endotérmicas:

Los reactores PFR se utilizan tanto para reacciones exotérmicas como endotérmicas. Su capacidad para mantener un flujo constante y estable de reactantes permite controlar la liberación o absorción de calor durante la reacción

3. Síntesis Química:

Los reactores PFR se emplean en la síntesis de productos químicos. Por ejemplo, en la producción de compuestos orgánicos, polímeros, intermediarios farmacéuticos y otros productos químicos a gran escala

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Los tanques agitados en serie son un concepto en ingeniería química y de procesos que se refiere a un arreglo de varios tanques de mezcla (o reactores) conectados en secuencia, de tal manera que el efluente de un tanque se convierte en el influente del siguiente. En este tipo de sistema influyen dos conceptos:

Tanques Agitados: Cada tanque está equipado con un agitador o mezclador que asegura que el contenido del tanque sea homogéneo, es decir, que la composición del fluido sea uniforme en todo el volumen del tanque.

En Serie: Los tanques están dispuestos de tal manera que el fluido pasa de uno a otro en una secuencia lineal. El fluido entra en el primer tanque, se mezcla completamente, y luego fluye hacia el segundo tanque, y así sucesivamente hasta el último tanque en la serie.

Características

1. Homogeneidad: Cada tanque proporciona una mezcla completa y uniforme de los reactivos.

2. Control del Tiempo de Residencia: Permite ajustar el tiempo que los reactivos permanecen en el sistema, controlando así la extensión de las reacciones químicas.

3. Escalabilidad: Facilita la ampliación de los procesos simplemente añadiendo más tanques en serie.

4. Flexibilidad: Permite realizar múltiples etapas de reacción o procesamiento en una configuración continua.

5. Mitigación de Problemas de Escalado: Al dividir el proceso en etapas, se pueden mitigar problemas relacionados con el escalado directo de un tanque grande.

Ecuación de Diseño

Para el diseño de tanques agitados en serie, una de las ecuaciones más importantes es la del balance de masa. En un sistema de n tanques agitados en serie con un volumen V cada uno, la concentración de salida de cada tanque puede describirse usando el modelo de reacción en serie:

Para una reacción de primer orden:

Ci= C0 (1/1+kt)^i

Donde:

Ci: es la concentración del reactivo en el i-ésimo tanque.

C0: es la concentración inicial del reactivo.

k: es la constante de velocidad de reacción.

V: es el volumen del tanque.

Q: es el caudal volumétrico.

Ejemplos

1. Tres Tanques en Serie para una Reacción de Primer Orden: Se tiene una reacción A - B con una constante de velocidad k en tres tanques de igual volumen. La concentración de A en el tercer tanque sería C3 = C0.

2. Descomposición Térmica en Tres Etapas: Para un proceso de descomposición térmica, el material pasa por tres tanques calentados a diferentes temperaturas para asegurar una descomposición completa.

3. Fermentación en Etapas: Un proceso de fermentación donde los microorganismos pasan por diferentes etapas de crecimiento en tres tanques conectados en serie, cada uno optimizado para una fase específica del crecimiento microbiano.

Aplicaciones Industriales

1. Tratamiento de Aguas Residuales: En plantas de tratamiento de aguas, los tanques agitados en serie se utilizan para realizar diferentes etapas de tratamiento, como la precipitación, oxidación y reducción de contaminantes.

2. Industria Farmacéutica: En la producción de medicamentos, se usan tanques agitados en serie para controlar la síntesis de productos químicos complejos, asegurando la reacción completa y la pureza del producto.

3. Producción de Biocombustibles: En la producción de biocombustibles como el bioetanol, se emplean tanques en serie para llevar a cabo la fermentación en varias etapas, optimizando el rendimiento de la conversión de azúcares en etanol.

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                       Reactor de Dispersión Axial

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                       Reactor de Dispersión Axial

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¿Qué es un reactor de dispersión axial?

Un reactor de dispersión axial es un tipo de reactor químico donde la mezcla de reactantes y productos se produce principalmente a lo largo del eje del reactor, es decir, en la dirección de flujo axial. Este tipo de reactor se caracteriza por tener una mezcla relativamente pobre o limitada en direcciones perpendiculares al eje de flujo, lo que puede conducir a gradientes de concentración y temperatura en estas direcciones.

Características:

Flujo predominante a lo largo del eje axial: En un reactor de dispersión axial, el flujo principal de los reactantes y productos ocurre a lo largo del eje central del reactor.

Mezcla limitada en direcciones transversales: En un reactor de dispersión axial la mezcla transversal puede ser limitada. Esto puede resultar en gradientes de concentración y temperatura en direcciones perpendiculares al eje axial.

Gradientes de concentración y temperatura: Los reactores de dispersión axial experimentan gradientes de concentración y temperatura a lo largo del radio del reactor. Estos gradientes pueden influir en la eficiencia de la reacción y la selectividad del producto.

Configuraciones de reactor variadas: Los reactores de dispersión axial pueden tener diversas configuraciones, que incluyen reactores de tubo, columnas de burbujeo, lechos fijos, entre otros. La elección de la configuración depende de factores como la cinética de la reacción, la fase de los reactantes, la selectividad del producto y los requisitos de operación.

Distribución de tiempo de residencia: La distribución del tiempo de residencia en un reactor de dispersión axial puede ser más amplia en comparación con otros tipos de reactores, como los CSTR. Esto puede influir en la conversión de reactantes y la distribución de productos en el reactor.

Aplicaciones específicas: Los reactores de dispersión axial se utilizan en una variedad de aplicaciones industriales donde se requiere una mezcla controlada de reactantes a lo largo del eje axial del reactor. Esto incluye la síntesis química, la producción de productos farmacéuticos, la fermentación, entre otros.

Variables:

Flujo de alimentación

Velocidad de agitación o mezcla

Geometría del reactor

Propiedades del fluido

Propiedades del catalizador (si aplica)

Condiciones de temperatura y presión

Recirculación y flujo de salida

Ecuación de diseño:

dFA/dz=rA​

Donde:

FA: es el flujo molar de reactante A en el reactor (mol/s o mol/min).

z :es la coordenada axial a lo largo del reactor (m o ft).

rA: es la velocidad de reacción de A (mol/(s·V)), donde V es el volumen del reactor.

Ejemplos:

Ejemplo 1. Reactor de tubo vertical (PFR - Reactor de Flujo Pistón):

Este tipo de reactor consiste en un tubo vertical en el que los reactantes entran por la parte superior y los productos se retiran por la parte inferior. La mezcla ocurre principalmente a lo largo del eje axial debido al flujo pistón. La reacción se produce mientras los reactantes fluyen a través del tubo.

Ejemplo 2. Columna de burbujeo:

En una columna de burbujeo, los reactantes entran desde la parte inferior y se forman burbujas a medida que se introducen los gases o se inyecta un gas a través del líquido.

Ejemplo 3. Lecho fijo o lecho empacado:

En un reactor de lecho fijo, los reactantes fluyen a través de un lecho de partículas sólidas. La reacción tiene lugar en la superficie de las partículas del lecho, y la mezcla axial se logra mediante el flujo del fluido a través del lecho.

Aplicaciones Industriales:

1. Reacciones químicas en fase gaseosa y líquida:

Estos reactores incluyen la síntesis de productos químicos, la producción de productos farmacéuticos, la fabricación de polímeros, la purificación de gases, entre otros. Estos reactores proporcionan una mezcla axial efectiva de reactantes y una distribución uniforme del tiempo de residencia, lo que permite una alta eficiencia de reacción y selectividad del producto.

2. Procesos de fermentación biológica:

En la industria alimentaria, farmacéutica y de biotecnología, los reactores de dispersión axial se utilizan para llevar a cabo procesos de fermentación biológica. Estos procesos implican la conversión de sustratos orgánicos en productos útiles utilizando microorganismos como bacterias, levaduras u hongos.

3. Tratamiento de aguas residuales:

En la industria ambiental, los reactores de dispersión axial se utilizan en procesos de tratamiento de aguas residuales para la eliminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos. Estos reactores se emplean en sistemas de tratamiento biológico, como los reactores biológicos de lecho fijo, donde los microorganismos se utilizan para degradar los contaminantes presentes en el agua residual.

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Definicion: Un reactor de segregación total es un tipo de reactor químico que se caracteriza por tener una distribución perfecta de los componentes en su interior, lo que permite un contacto homogéneo de las sustancias involucradas en la reacción.

Explicacion del diagrama:

En primer lugar, vamos a considerar el grado de segregación de un fluido. Nos conviene definir les términos que representan los casos extremos de esta segregación, para lo cual supongamos que el líquido A se puede comportar de las dos formas indicadas en la Fig. 10-1. En la primera el líquido se comporta como lo imaginamos normalmente, con sus moléculas individuales moviéndose libremente en su seno y chocando e entremezclándose unas con otras; a este liquide le denominamos micro fluido. En la segunda forma el líquido. A está constituido por un gran número de pequeños paquetes individuales conteniendo in gran número de moléculas cada uno del orden de 10 a 10; a este tipo de líquido le denominamos macro fluido.

Características:

1. Mezcla perfecta: La principal característica de un reactor de segregación total es que garantiza una mezcla perfecta de los reactivos, lo que favorece la homogeneidad de la reacción.

2. Ausencia de zonas muertas: En este tipo de reactor, se evitan las zonas muertas donde los reactivos podrían estancarse sin reaccionar, asegurando así una eficiente utilización de los mismos.

3. Tiempo de residencia constante: El tiempo que los reactivos permanecen en el reactor es constante para todos los puntos del sistema, lo que contribuye a una reacción uniforme.

4. Alta eficiencia de conversión: Debido a la distribución homogénea de los reactivos y a la ausencia de zonas muertas, los reactores de segregación total suelen tener una alta eficiencia de conversión de los reactivos en productos.

5. Control preciso de la temperatura y la presión: Estos reactores suelen permitir un control preciso de las condiciones de temperatura y presión, lo que es fundamental para muchas reacciones químicas.

Variables

·       Tiempo de residencia (t)

·       Tiempo de residencia media(f)

·       Temperatura(T)

·       Presión (p)

·       Mezcla y agitación (x)

·       Volumen del reactor (v)

·       Concentración (CA)

Ecuación de diseño

Por consiguiente, la fracción de reactante no convertida en la corriente de salida se obtiene determinando la extensión de la reacción de todos los agregados de dicha corriente, es decir, para la corriente global de salida de un macro fluido, que integrada la expresión para la conversión de un macro fluido en un reactor de mezcla completa se obtiene la ecuación de diseño:

CA/CA0=1/1+Ki

Ejemplos

1.- En un reactor de segregación total, se desea determinar la eficiencia de conversión de un reactante A en un producto B. Se sabe que la reacción es de primer orden y que el tiempo de residencia en el reactor es de 10 minutos. Si la constante de velocidad de la reacción es de 0.05 min^-1, ¿cuál es la eficiencia de conversión de A a B en el reactor de segregación total?

2.-Canalización de flujo: En algunos casos, los reactores de segregación pueden experimentar canalización de flujo, donde los reactivos tienden a seguir rutas preferenciales a través del reactor, lo que puede resultar en una distribución no uniforme de los reactivos y una baja eficiencia de la reacción.

2. Formación de zonas muertas: A pesar de estar diseñados para evitar zonas muertas, en ciertas condiciones de operación, los reactores de segregación pueden presentar formación de zonas donde los reactivos no se mezclan adecuadamente, lo que puede reducir la eficiencia de la reacción.

3.- Problemas de agitación: La agitación inadecuada dentro del reactor puede resultar en una mezcla deficiente de los reactivos, lo que afecta la eficiencia de la reacción y la calidad de los productos.

Aplicaciones indutriales

1. Síntesis de polímeros: En la industria de polímeros, los reactores de segregación total se utilizan para la síntesis de polímeros de alta calidad y propiedades uniformes.

2. Producción de productos químicos: En la fabricación de productos químicos, estos reactores se emplean para reacciones que requieren una alta eficiencia de conversión y una distribución homogénea de los reactivos.

3. Síntesis de productos farmacéuticos: En la industria farmacéutica, los reactores de segregación total se utilizan para la síntesis de ingredientes activos farmacéuticos con alta pureza y rendimiento.

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Reactor de segregacion total

·       Farina, I.H; Ferretti, O.; Barreto, G., Introducción al Diseño de Reactores Químicos, Eudeba, Bs.As.,
Argentina, 1986.

·       Fogler, H.S., Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, Tercera Edición, Prentice-Hall
Inc., Pearson Educación, México, 2001.

·       Levenspiel, O., Ingeniería de las Reacciones Químicas, Reverté, Barcelona, 1974, 1975, 1976, 1978,
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·       Levenspiel, O., El Omnilibro de los Reactores Químicos, Reverté, Barcelona
2002.

Reactor de dispersión axial

Aguilar, J. (2005). Reactores de dispersión axial. En B. A. Álvarez, & E. Gallegos (Eds.), Ingeniería de reacciones químicas (pp. 167-178). Pearson Educación.

Valenzuela, M., & Vallejo, E. (2008). Modelación matemática de reactores de dispersión axial: Caso reacciones de polimerización. Ingeniería y Ciencia, 4(8), 53-68.

Salgado, L., & Prado, C. (2014). Caracterización hidrodinámica de un reactor tubular de dispersión axial. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 30(1), 23-30.

Olguín, E., & Aguirre, A. (2017). Estudio teórico y experimental de un reactor de dispersión axial para la producción de biodiesel a partir de aceite residual. Ciencia en Desarrollo, 8(1), 5-16.

González, F., & Fernández, J. (2020). Análisis cinético y modelado matemático de un reactor tubular de dispersión axial para la síntesis de un producto químico. Revista de Ciencia e Ingeniería, 41(2), 112-124.

Tanques Agitados en Serie

Fogler, H. S. (2016). Elements of Chemical Reaction Engineering (5th ed.). Prentice Hall.

Levenspiel, O. (1999). Chemical Reaction Engineering (3rd ed.). John Wiley & Sons.

McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (2005). Unit Operations of Chemical Engineering (7th ed.). McGraw-Hill.

Coulson, J. M., Richardson, J. F., Backhurst, J. R., & Harker, J. H. (1999). Coulson & Richardson's Chemical Engineering (Vol. 2, 5th ed.).