UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO FACULTAD DE ESTUDIOS

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA INGENIERÍA QUÍMICA INGENIERÍA DE REACTORES REACTOR DE TANQUE AGITADO

REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO También conocido como: Reactor de mezcla completa de flujo continuo, Reactor de Tanque Agitado y por sus siglas en ingles CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), CFSTR (Continuous Flow Stirred Tank Reactor).

Los reactores continuos tanque agitado se usan normalmente para llevar a cabo reacciones en fase líquida, tanto en el laboratorio como a escala industrial. Sin embargo, también se usa para llevar a cabo reacciones en fase gas sobre todo cuando son reacciones catalizadas por un sólido y para sistemas de reacción sólido -líquido-gas (S-L-G).

REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO

Trabajan en estado estacionario (sus propiedades no varían con el tiempo). La reacción alcanza la máxima conversión en el instante en que la alimentación entra al tanque, (en cualquier punto de este equipo las concentraciones son iguales a las de la corriente de salida). Se considera que la velocidad de reacción para cualquier punto dentro del tanque es la misma y suele evaluarse a la concentración de salida.

CARACTERÍSTICAS 1. - Dado que se presenta una agitación eficiente y el fluido dentro del recipiente está uniformemente mezclado, todos los elementos del fluido tienen la misma probabilidad de abandonar el reactor en cualquier tiempo.

2. - Existe una distribución de tiempos de residencia (t). Se apreciarse intuitivamente considerando lo siguiente: (a) Un elemento de fluido puede moverse directamente desde la entrada a la salida, puede existir un tiempo de residencia muy corto. (b) Otro elemento del fluido puede participar en el movimiento de reciclado producto de la agitación y por lo tanto presentar un tiempo de residencia largo.

3. - Como consecuencia de la agitación eficiente las propiedades (concentración, temperatura) dentro del reactor son uniformes. La corriente de salida presenta las mismas propiedades que el fluido dentro del recipiente. 4. - Como consecuencia de (3) debe existir un cambio en escalón desde el valor de entrada al valor de salida de cualquier propiedad del sistema. 5. - La velocidad de reacción es constante dentro del reactor.

6. Dado que la densidad en el sistema de flujo no es necesariamente constante, la densidad de las corrientes puede cambiar entre la entrada y la salida. 7. Puede adicionarse un intercambiador de calor para controlar la temperatura.

VENTAJAS • • Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores por lotes. Su operación es continua. Se facilita el control automático de la producción. Se tiene una sola temperatura en el sistema de reacción.

DESVENTAJAS • • • Su costo inicial es alto. Para tiempos de residencia muy altos su tamaño también será alto. En general son menos eficientes que un reactor tubular.

APLICACIONES Cuando se desea una operación continua. Para reacciones ligeramente endotérmicas o exotérmicas.

BALANCE DE MATERIA

BALANCE DE MATERIA En estado estacionario el balance macroscópico de materia para el reactante limitante es el siguiente:

BALANCE DE MATERIA Como el reactor sigue el modelo de flujo de mezcla perfecta, está perfectamente homogeneizado, la relación entre el caudal de generación y la velocidad intensiva es la siguiente:

BALANCE DE MATERIA Por lo que el balance es:

Tiempo de Contacto Tiempo necesario para procesar un volumen de alimentación igual al volumen del reactor Relación entre el volumen del reactor y el flujo volumétrico total alimentado: V F VF Volumen de Reactor Moles totales alimentados en la unidad de tiempo Volumen de la alimentación por mol

Velocidad Espacial Número de volúmenes de reactor que pueden procesarse de alimentación en una unidad de tiempo Es la inversa del tiempo de contacto Una velocidad espacial de 5 hrs -1 significa que se alimentan cada hora un volumen igual a cinco veces el volumen del reactor

Tiempo de Residencia A lo largo del reactor puede haber variaciones de las propiedades de la mezcla de reacción, de tal manera que FVF no permanezcan constantes En estas circunstancias Tiempo de Contacto Velocidad Espacial Dejan de tener sentido físico

Tiempo de Residencia Tiempo real que un elemento fluido tarda en atravesar un volumen de reactor d. V Ni v Moles que circulan por el elemento de volumen d. V seleccionado en la unidad de tiempo Volumen de un mol de la mezcla de reacción en ese elemento de volumen

Tiempo de Residencia Si no hay cambio en la temperatura, presión o número de moles, Ni y v son constantes e iguales a F y VF y: Tiempo de Residencia = Tiempo de Contacto *En el caso contrario es necesario integrar la ecuación anterior.

Tiempo de Residencia Para ello conviene sustituir d. V por f fd Con el objeto de relacionar Ni y VF con la conversión x’ en lugar de hacerlo con el volumen del reactor

Deducción de ecuación de diseño En las unidades continuas interesa la operación en estado estacionario, por tanto se diseñan para ello. En consecuencia la ecuación de diseño que se deducirá será válida para dicho estado estacionario, no siéndolo ni para la puesta en marcha ni para la parada. Ecuación de diseño En estado estacionario el balance macroscópico de materia para el reactante limitante es el siguiente: Puesto que el reactor sigue el modelo de flujo de mezcla perfecta, está perfectamente homogeneizado, la relación entre el caudal de generación y la velocidad intensiva es la siguiente:

Deducción de ecuación de diseño con lo que el balance es: La definición de conversión porcentual de un componente en un sistema continuo es Cuando la corriente de alimento está exenta de producto de la reacción w. Ao es w. A 1. Sin embargo, si el alimento lleva producto es necesario referir la conversión de dicha corriente, como la de la salida, a un mismo punto de manera que:

Deducción de ecuación de diseño donde w. Ao es un caudal de alimento libre de producto que se calcula de acuerdo a la estequiometría. El balance resultante es Representación gráfica de la ecuación de diseño Si el alimento no está parcialmente convertido (X 1 A=0) se tiene que qo=q 1 y c. Ao=c. A 1. V/qo=θ V V/q 2 Ec. de diseño Tiempo espacial. Volumen de alimentación Tiempo medio de residencia Ambos tiempos sólo coinciden cuando la densidad del sistema es constante ya que en ese caso qo=q 2.

Deducción de ecuación de diseño La ecuación anterior en el caso concreto de un sistema de densidad constante queda reducida de la siguiente forma: Ec. de Diseño Interpretación de la ecuación de diseño

Ejercicio: Funcionamiento de un reactor de tanque agitado La reacción elemental en fase líquida A+2 B↔R con ecuación cinética Se va a efectuar en un reactor de tanque agitado de 6 L, trabajando en estado estacionario. Al reactor se van a entrar dos corrientes de alimentación con flujos volumétricos iguales, una que contiene 2. 8 mol A/litro y otra que contiene 1. 6 mol B/ Litro. Se desea que la conversión del reactivo limitante sea del 75%. Calcular cual debe de ser el flujo volumétrico de cada corriente suponiendo que la densidad permanece cte. CA 0=2. 8 mol A / Litro CB 0= 1. 6 mol B/ Litro VA=VB=v Volumen= 6 L 75% de la conversión de B

Ejercicio: Funcionamiento de un reactor de tanque agitado La concentración de los componentes en la mezcla de las corrientes de alimentación Estos números muestran que B es el reactivo limitante, por lo que para una conversión del 75% de B y ε=0, las composiciones dentro del reactor y en la corriente de salida son

Ejercicio: Funcionamiento de un reactor de tanque agitado Escribiendo la velocidad y resolviendo el problema en función de B, se tienen las condiciones existentes dentro del reactor Si no hay variación de densidad. La ecuación de diseño es ó 1 L/min de cada una de las dos corrientes de alimentación

Ejercicio: Velocidad de Reacción en un Reactor de Tanque Agitado Un reactor de tanque agitado de volumen V=1 L es alimentado con un litro por minuto de un líquido que contiene los reactivos A y B (Ca 0= 0. 10 mol/L, Cb 0=0. 01 mol/L). Estos compuestos reaccionan de una manera compleja, por lo que se desconoce la estequiometría. La corriente de salida del reactor contiene A, B, C (CAf= 0. 02 mol/L, CBf=0. 03 mol/L, CCf=0. 04 mol/L) como se muestra en la figura, Calcular las velocidades de reacción de A, B, y C para las condiciones dentro del reactor v=v 0= 1 L/min Ca 0= 0. 10 mol/L Cb 0=0. 01 mol/L CA=CAf= 0. 02 mol/L, CB=0. 03 mol/L, CC=0. 04 mol/L Líquido V=1 L

Ejercicio: Velocidad de Reacción en un Reactor de Tanque Agitado Para un líquido en un reactor continuo de tanque agitado εA=0 por lo que se aplica la ecuación a cada uno de los componentes reaccionantes, dando como velocidad de desaparición A esta desapareciendo mientras que B y C se están formando

BIBLIOGRAFÍA 1. Fidel Cunill. Montserrat Iborra. Javier tejero. . (2010). Reactores Químicos. Barcelona: ERQ. 2. Dr. Rogelio Cuevas García. (-). Reactor de mezcla completa. 8/Octubre/2018, de UNAM Sitio web: http: //depa. fquim. unam. mx/amyd/archivero/Balancemateria_10657. pdf 3. Fogler H. Scott. (2001). Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas 3 ra. Edición. México: Prentice Hall. 4. Levenspiel, O. ; "Ingeniería de las reacciones químicas". Ed. Reverté.