Reacciones Mltiples (Captulo 6) Trabajar en trminos de flujos molares y concentracines;NO usar conversin!

Tipos de Reacciones Mltiples

1. Reacciones en Serie (Producto intermedio que contina reaccionando).

2. Reacciones Paralelas (Reactivo es consumido por dos trayectorias de reaccin).

3. Reacciones Complejas: Combinacin de reacciones en serie y paralelas.

4. Independientes (Alimentaciones que contienen muchos reactivos)

Maximizar formacin de producto deseado y minimizar formacin de producto indeseado (costos de separacin !!)

Selectividad y rendimiento

Cuantificacin de formacin de producto deseado, D, con respecto a producto indeseado, U.

1

Instantnea Global

Selectividad Udeformacin de VelocidadD deformacin de VelocidadSDU = indeseado producto salidamolar Flujo

deseado producto salidamolar FlujoS~DU =

Batch)(Reactor NN

S~

U

DDU =

Rendimiento

batch)(Reactor NN

NY~

AAo

DD =

Ejemplo: Producto deseado, rD=k1CA2CB

producto indeseado, rU=k2CACB

Operar a alta concentracin de A. Usar RFP.

2

Reacciones paralelas.

2U

1D

AUUk

ADDk

Ckr )(indeseado UA

Ckr (deseado) DA

==

Velocidad de desaparicin de A:

-rA = rD + rU = kDCA1 + kUCA2 1 y 2 > 0 Selectividad instantnea:

21A

U

D

U

DDU Ck

krr

S == SDU debe ser mxima.

Caso 1: 1 > 2

Sea: a = 1 - 2 (diferencia positiva) aAU

D

U

DDU Ck

krr

S ==

Para valor alto de SDU Mantener CA alta : Fase gas: Ausencia de inertes y P alta Fase lquida: Mnimo uso de diluyentes Reactor: Batch o RFP No usar RCPA

Caso 2: 2 > 1 a = 2 - 1

aAU

D

AU

D

AU

AD

U

DDU Ck

kCkk

CkCk

rrS

122

1 ====

Alto SDU Mantener baja CA

3

Dilucin con inertes Reactor RCPA Reactor con reciclo (corriente de producto acta como diluyente)

Efecto de la temperatura sobre la selectividad

Depende de la razn de constantes cinticas:

==RTEE

AA

kkS UD

U

D

U

DDu exp

Caso 3: ED > EUkD (y por lo tanto rD) aumenta ms rpidamente con T que kU (y rU)

Operar reactor a la temperatura ms alta posible.

Caso 4: EU > ED

Mantener reaccin a baja T para maximizar SDU, pero no tan baja como para detener la reaccin.

Revisar ejemplo 6-1 en pizarra.

Reacciones en Serie. Ejemplo:

Esta reaccin en serie puede escribirse tambin como:

4

Reaccin (1)

Reaccin (2)

Especie A:

Especie B:

Usando el factor integrante,

a t = 0, CB = 0

Cmo llevar a cabo la reaccin para obtener la mxima concentracin de B?

5

Entonces:

Y:

Encontrar la selectividad para el sistema en un RCPA. MODIFICACION DEL ALGORITMO CRE PARA REACCIONES MULTIPLES.

1. Balance molar para todas las especies. 2. Ley de velocidad: Velocidad neta de reaccin para cada especie, p/ej.:

rA = riA 3. Estequiometra

Fase lquida: Usar CA

Fases Gaseosa: Usar:

4. Combinar.

6

Bala s Tipo de Reactor

nces MolareFase Gase sa o Fase Lquida

Batch

Semibatch

RCPA

RFP

RLF

A B in.

Para N reacciones, la velocidad neta de formacin de la especie A es:

OBS.: r y r corresponden a velocidades NETAS de formac

Velocidades netas de Reaccin para la Especie A

Para una reaccin i dada:

7

Ejemplo: Reaccin en Fase Lquida

(1) k1A est definida para la especie A

(2) k2C est definida para la especie C. CASO 1: RFP

Balances Molares A:

B:

C:

D:

Leyes de velocidad (Rxn i)

Especie A

8

Para la reaccin (1):

A+2B-->C Para la reaccin (2):

3C+2A-->D

Especie B Especie C

Epecie D

Estequiometra

Combinando

Especie A

9

Especie B

Especie C

Especies D

Evaluar Usando Polymath

k1A=0.5

k2C=2.0

at t=0: V=0, CAO=4, CBO=4, CCO=0, CDO=0

Vf=5 dm3

CASO 2: RCPA Fase Lquida

10

Especie A

Especie B

Especie C

Especie D

Se especifica V, CAo, Cbo y las constantes de velocidad kij.

Se obtienen 4 ecuaciones con 4 incgnitas: CA, CB, CC y CD. Usar el resolvedor de ecuaciones no lineales de Polymath. Ingresar el balance molar combinado con las leyes de velocidad de la siguiente forma:

11

CASO 3: Semibatch fase lquida

Especie A

Especie B

Especie C

Especie D

V=VO+vOt

Evaluar usando Polymath

Parmetros

Condiciones Iniciales

Dos reactivos y selectividad: Diferentes formas de contacto.

12

Reacciones Mltiples en fase gaseosa (Cap. 6) Ejemplo: Reacciones en fa Gaseosa en un RFP.

(1)

(2)

Algoritmo Balances molares

A:

B:

C:

D:

13

Leyes de Velocidad (Rxn i)

Especie A

Para reaccin (1): (dada)

Para reaccin (2):

(1)

Especie B (2)

Especie C (3)

Especie D (4)

Estequiometra (5)

Combinando

14

(6)

Evaluar Usando Polymath

Parmetros (7)

(8)

(9)

Condiciones Iniciales

Usar el resolvedor de ecuaciones diferenciales ordinarias de Polymath.

15

Para un RCPA: Las ecuaciones (1) a (9) se aplican a un RCPA en fase gaseosa como lo hacen las condiciones iniciales.

A:

B:

C:

D:

Total: FT = FA + FB + FC + FD

5 ecuaciones y 5 incgnitas.

Usar el resolvedor de ecuaciones de Polymath.

16

Ejemplo 6-5: Para el siguiente sistema reactivo:

Reaccin 1: NO + 2/3NH3 5/6N2 + H2O

Reaccin 2: 2NO N2 + O2

Reaccin 3: O2 + 1/2N2 NO2

Escribir los balances molares en un RFP en trminos de los flujos molares de cada especie.

Solucin:

Reacciones en fase gaseosa

Concentraciones:

const.) Py T (Si FF

C

TT

PP

FF

CC

T

jTo

o

oT

jTOj

=

=

Flujo molar total de gases:

FT = FNO + FNH3 + FN2 + FH2O + FO2 + FNO2

Balances molares:

Para NO: 2NO2N2

5.1NO3NHNO1NO

NO Ck2CCkrdV

dF == 2

T

NO2TO2N2

5.1

T

NO

T

3NH5.2TONO1

NOF

FCk2F

FF

FCkdV

dF

=

Para NH3 : 5.1

NO3NHNO1NO13NH13NH3NH CCk

32

r32

rrdV

dF ====

17

5.1

T

NO

T

3NH5.2ToNO1

3NH

FF

FF

Ck32

dVdF

=

Para H2O: 5.1

NO3NHNO1NO1O2H1O2HO2H CCkrrr

dV

dF ==== 5.1

T

NO

T

3NH5.2ToNO1

O2HF

FF

FCkdV

dF

=

Para N2: 2

2O2N2O32NO2N2

5.1NO3NHNO12N

2N CCk21CkCCk

65r

dVdF +==

2

T

2O

T

2N3TO2O3

2

T

NO2TO2N2

5.1

T

No

T

3NH5.2ToNO1

2NFF

FFCk

21

FFCk

FF

FFCk

65

dVdF

+

=

Para O2:

2

T

2O

T

2N3To2O3

2

T

NO2To2N2

2O

2O32N22O32O22O2O

FF

FFCk

FFCk

dVdF

rrrrrdV

dF

=

+=+==

Para NO2: 2

T

2O

T

2N3TO2O32O32NO32NO

2NOFF

FFCkrrr

dVdF

====

Datos: Flujos de alimentacin Fjo, temperatura y presin inicial (To y Po) y constantes cinticas kij.

Debe resolverse el sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (Polymath).

18