Reactores de lecho fijo DAR I 19-20 PDF

Preview

Summary

Download Reactores de lecho fijo DAR I 19-20 PDF

Description

TEMA 2: Diseño de Reactores Catalíticos 2.3.- Diseño de Reactores de Lecho Fijo (Fixed-Bed Reactor/Packed-Bed Reactor) Emma M. Ortega Navarro e-mail: [email protected] Tutorías bajo demanda 1 © [email protected]

Índice • Índice – – – – – – – – –

1.- Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR). 2.- Aplicaciones industriales de los FBR. 3.- Razones tecnológicas para seleccionar FBR. 4.- Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR). 5.- Modelado matemático de un FBR. 6.- Modelo matemático: control cinético 7.- Modelo matemático: control por TME 8.- Modelo matemático: control por TMI. 9.- Modelo matemático: control por transferencia de materia.

2 © [email protected]

Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR)

¿Qué es un reactor de lecho fijo? •

Si un reactor tubular se llena con un catalizador poroso cuyas partículas no se mueven respecto a un sistema de referencia fijo, el reactor pasa a denominarse reactor de lecho fijo, fixed-bed reactor (FBR) o packed-bed reactor (PBR).

•

Pueden ser reactores heterogéneos bifásicos o trifásicos

•

Los reactores trifásicos de lecho fijo se utilizan en numerosas aplicaciones industriales para llevar a cabo reacciones entre reactantes gaseosos y líquidos sobre catalizadores sólidos porosos.

•

Tipos convencionales de reactores de lecho fijo: • Trickle-Bed reactor (lecho de goteo o lecho con flujo viscoso descendente) • Packed bubble column reactor (columna de burbujeo empacada) • Multitubular reactor (reactor multitubular). 3 © [email protected]

Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR)

Trickle-Bed reactor

4 © [email protected]

Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR)

Packed bubble column reactor

M.I. Urseanu, J. Ellenberger, R. Krishna, Catalysis Today, 69 (1–4) 2001 105–113

5 © [email protected]

Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR)

Multitubular reactor

6 © [email protected]

Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR)

Reactor de producción de formaldehído

Reactor de lecho fijo isotermo, con intercambiador de calor. La reacción tiene lugar en fase gas y el catalizador está en fase sólida

7

Índice • Índice – – – – – – – – –

1.- Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR). 2.- Aplicaciones industriales de los FBR. 3.- Razones tecnológicas para seleccionar FBR. 4.- Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR). 5.- Modelado matemático de un FBR. 6.- Modelo matemático: control cinético 7.- Modelo matemático: control por TME 8.- Modelo matemático: control por TMI. 9.- Modelo matemático: control por transferencia de materia.

8 © [email protected]

Aplicaciones industriales de los FBR

Aplicaciones industriales de los reactores de lecho fijo

L. B. Datsevich, Conventional Three-Phase Fixed-Bed Technologies, Springer, 2012

9 © [email protected]

Aplicaciones industriales de los FBR

Aplicaciones industriales de los reactores de lecho fijo

L. B. Datsevich, Conventional Three-Phase Fixed-Bed Technologies, Springer, 2012

10 © [email protected]

Aplicaciones industriales de los FBR

Aplicaciones industriales de los reactores de lecho fijo

L. B. Datsevich, Conventional Three-Phase Fixed-Bed Technologies, Springer, 2012

11 © [email protected]

Índice • Índice – – – – – – – – –

1.- Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR). 2.- Aplicaciones industriales de los FBR. 3.- Razones tecnológicas para seleccionar FBR. 4.- Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR). 5.- Modelado matemático de un FBR. 6.- Modelo matemático: control cinético 7.- Modelo matemático: control por TME 8.- Modelo matemático: control por TMI. 9.- Modelo matemático: control por transferencia de materia.

12 © [email protected]

Razones tecnológicas para seleccionar FBR

Diseño de reactores catalíticos

L. B. Datsevich, Conventional Three-Phase Fixed-Bed Technologies, Springer, 2012

13 © [email protected]

Razones tecnológicas para seleccionar FBR

Razones tecnológicas para seleccionar FBR’s •

Problemas a resolver en todos los reactores catalíticos: – Proporcionar la transferencia de materia suficiente de los reactantes hacia la superficie del catalizador (transferencia de materia externa) – Eliminar correctamente la potencia térmica generada en el curso de la reacción. – Aprovechar al máximo el potencial del catalizador (transferencia de materia interna)

•

En principio, los reactores con una suspensión del catalizador (slurry reactors) permiten resolver con mayor facilidad los problemas anteriores: partículas pequeñas en constante movimiento.

•

No obstante, los slurry reactors no son muy utilizados en la industria a escala mediana/grande por: – Necesidad de separar el catalizador de los productos de reacción: formación de finos. – Propiedades abrasivas de la mayoría de catalizadores comerciales: mantenimiento caro.

•

Los inconvenientes anteriores se solucionan con un lecho catalítico fijo: – Incrementar el flujo de fluido para aumentar la transferencia de materia externa y de calor. – Limitaciones en la reducción del tamaño de partícula por problemas de pérdida de carga. 14 © [email protected]

Razones tecnológicas para seleccionar FBR

Razones tecnológicas para seleccionar FBR’s

L. B. Datsevich, Conventional Three-Phase Fixed-Bed Technologies, Springer, 2012

15 © [email protected]

Índice • Índice – – – – – – – – –

1.- Introducción a los reactores de lecho fijo (FBR). 2.- Aplicaciones industriales de los FBR. 3.- Razones tecnológicas para seleccionar FBR. 4.- Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR). 5.- Modelado matemático de un FBR. 6.- Modelo matemático: control cinético 7.- Modelo matemático: control por TME 8.- Modelo matemático: control por TMI. 9.- Modelo matemático: control por transferencia de materia.

16 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Antecedentes del FBR: reactor de flujo pistón (PFR) •

El antecedente del reactor de lecho fijo es el reactor de flujo pistón.

•

El reactor de flujo pistón describe un tipo de flujo en un tubo en el que el fluido está bien mezclado en la dirección radial y angular y sólo varía su composición en dirección axial.

•

El régimen hidrodinámico debe ser altamente turbulento en un reactor tubular para ser considerado de flujo pistón.

•

La consideración de flujo pistón es ideal, aunque suele utilizarse en aquellas situaciones en las que el número de Reynolds es elevado. En ese caso el perfil de velocidades es razonablemente plano en la dirección radial, excepto cerca de las paredes del tubo.

•

En caso contrario no puede considerarse de flujo pistón y son necesarios otros modelos para describir el reactor tubular: reactor de flujo pistón+dispersión, reactor laminar, etc. 17 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Balance de materia en un reactor de flujo pistón (PFR) Qe 󰇛m3/s󰇜 C je 󰇛mol j/m3󰇜 Fje 󰇛mol j/s󰇜

rj 󰇛mol j/󰇛sm3󰇜󰇜 j = componentes

𝐹  𝑄 · 𝐶 BM de j en RE

Q󰇛z󰇜 Cj󰇛z󰇜 Fj󰇛z󰇜

𝐹 󰇻  𝐹 󰇻

 ∆𝑉 · 𝑟  0

𝐹 󰇻  𝐹 󰇻

 ∆𝑧 · 𝜋𝑅 · 𝑟  0

∆





∆

𝐹   𝐹 ∆ 

∆𝑧

 𝜋𝑅 · 𝑟  0

Q󰇛zz󰇜 Cj󰇛zz󰇜 Fj󰇛zz󰇜

Rr rj



𝑑𝐹  𝜋𝑅 · 𝑟  0 𝑑𝑧 

Condiciones iniciales 𝐹 ∆  𝐹  𝑑𝐹  lim ∆𝑧 𝑑𝑧 ∆→

Alternativa 1



𝑑𝐹  𝑟  0 𝑑𝑉

𝑑󰇛𝑄 · 𝐶 󰇜  𝑟  0 𝑑𝑉

18 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Balance de materia en un reactor de flujo pistón (PFR) Qe 󰇛m3/s󰇜 C je 󰇛mol j/m3󰇜 Fje 󰇛mol j/s󰇜

rj 󰇛mol j/󰇛sm3󰇜󰇜 j = componentes

𝐹  𝑄 · 𝐶 BM de j en RE

Q󰇛z󰇜 Cj󰇛z󰇜 Fj󰇛z󰇜

𝑑𝐹 𝐹  𝐹  · 𝑑𝑧  𝑑𝑉 · 𝑟  0 𝑑𝑧 



𝑑𝐹 · 𝑑𝑧  𝜋𝑅 · 𝑑𝑧 · 𝑟  0 𝑑𝑧 𝑑𝐹  𝜋𝑅 · 𝑟  0 𝑑𝑧

𝑑𝐹 𝐹  · 𝑑𝑧 𝑑𝑧

Rr

dV

rj

dz



𝑑𝐹  𝜋𝑅 · 𝑟  0 𝑑𝑧 

Condiciones iniciales 

Alternativa 2

𝑑𝐹  𝑟  0 𝑑𝑉

𝑑󰇛𝑄 · 𝐶 󰇜  𝑟  0 𝑑𝑉

19 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ecuación de continuidad (balance de materia total)

Operador divergencia 𝜵 de un vector = escalar Coordenadas rectangulares

Coordenadas cilíndricas

𝛻𝐀 

𝛻𝐀 

Coordenadas esféricas

𝛻𝐀 

𝜕 𝜕 𝜕 A  A  A 𝜕x  𝜕y  𝜕𝑧 

1 𝜕 1 𝜕 𝜕  𝑟  A   A  A 𝑟 𝜕r 𝑟 𝜕θ 𝜕𝑧 

Coord. cilínd.

Coord. esfér.

1 𝜕  1 𝜕 1 𝜕  𝑟  A   𝑠𝑒𝑛𝜃  A   A   𝑟  𝜕r 𝑟  𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕θ 𝑟  𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜙 

20 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ecuación de continuidad (balance de materia total)

21 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ec. continuidad comp. j (balance de materia comp. j)

C j    (C j  v)    J j  rj t Coordenadas rectangulares

𝜕𝐶 𝜕𝑡



Jj 

moles j m2  s

rj 󰇛mol j/󰇛sm3󰇜󰇜

𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕𝐽 𝜕𝐽 𝜕𝐽  𝑟      𝜕𝑧 𝜕x 𝜕y 𝜕𝑧 𝜕x 𝜕y

Coordenadas cilíndricas

𝜕 𝐶  𝑣 𝜕𝐶 1 𝜕 𝑟  𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣 1 𝜕 𝑟  𝐽 1 𝜕𝐽 𝜕𝐽  𝑟       𝜕𝑧 𝜕θ 𝑟 𝑟 𝑟 𝑟 𝜕θ 𝜕r 𝜕𝑡 𝜕𝑧 𝜕r Coordenadas esféricas

𝜕𝐶 1 𝜕 𝑟   𝐶  𝑣 1 𝜕 𝑠𝑒𝑛𝜃  𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣      𝜕𝑡 𝑟 𝜕r 𝜕θ 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜙 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 1 𝜕 𝑟   𝐽 1 𝜕 𝑠𝑒𝑛𝜃  𝐽 1 𝜕𝐽  𝑟     𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜙 𝑟 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕r 𝜕θ

22 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ec. continuidad comp. j (balance de materia comp. j)

C j    ( C j  v)    J j  rj t C j

1ª Ley de Fick

J j   D j  C j

   ( C j  v )    ( D j   C j )  rj

t

Operador gradiente 𝛁 de un escalar = vector Coordenadas rectangulares

Coordenadas cilíndricas

Coordenadas esféricas

𝛻B 

𝛻B 

𝛻B 

𝜕 𝜕 𝜕  B   B  B𝐤 𝜕x 𝜕y 𝜕z

𝜕 1 𝜕 𝜕 B 𝛉 B 𝐫   B 𝐤 r 𝜕θ 𝜕r 𝜕z

1 𝜕 𝜕 1 𝜕 B 𝐫   B𝛟 B 𝛉  𝜕r r 𝜕θ r  senθ 𝜕ϕ

23 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ec. continuidad comp. j (balance de materia comp. j)

C j t

   ( C j  v )    ( D j   C j )  rj

Coordenadas rectangulares

𝜕𝐶 𝜕𝐶 𝜕𝐶 𝜕𝐶 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕 𝜕 𝜕  𝐷   𝐷 𝐷  𝑟    𝜕𝑡 𝜕𝑧 𝜕x 𝜕y 𝜕y 𝜕x 𝜕z 𝜕y 𝜕x 𝜕𝑧 Coordenadas cilíndricas

𝜕𝐶 1 𝜕 𝑟  𝐶  𝑣 𝜕𝐶 𝜕𝐶 𝜕 𝐶  𝑣 𝜕 1 𝜕 1𝜕 1 𝜕𝐶 1 𝜕 𝐶  𝑣 𝐷 𝑟𝐷     𝐷    𝑟 𝜕𝑧 𝜕θ r 𝜕θ 𝑟 𝜕r 𝜕𝑧 𝑟 𝜕θ 𝑟 𝜕r 𝜕r 𝜕𝑡 𝑟 𝜕z Coordenadas esféricas

𝜕𝐶 1 𝜕 𝑠𝑒𝑛𝜃  𝐶  𝑣 1 𝜕 𝑟   𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣     𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝑟 𝜕𝑡 𝑟 𝜕𝜃 𝜕𝜙 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃



𝜕𝐶 1 𝜕 1 𝜕𝐶 1 𝜕 1 𝜕𝐶 1 𝜕  𝑟 𝐷  𝑟 𝐷  𝑠𝑒𝑛𝜃𝐷    𝑟 𝜕𝜃 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜙  𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜙 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜃 𝜕𝑟 𝑟  𝜕𝑟

24 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ec. continuidad comp. j (balance de materia comp. j)

C j t

   ( C j  v )    ( D j   C j )  rj

Dj constante

C j    (C j  v )  D j  2 C j  rj t Operador laplaciano 𝛁 2 (=𝚫 ) de un escalar Coordenadas rectangulares

𝛻 B

𝜕𝐵 𝜕𝐵 𝜕𝐵  Δ𝐵    𝜕𝑥  𝜕𝑦  𝜕𝑧 

𝐵 𝐵 𝐵 1 𝜕𝐵 1 𝜕 𝜕 𝜕      𝛻  B  Δ𝐵  𝜕𝑟  r 𝜕𝑟 𝑟 𝜕θ 𝜕𝑧

Coordenadas cilíndricas

𝜕𝐵 𝜕  𝐵 2 𝜕𝐵 1 𝜕  𝐵 cosθ 𝜕B 1   Δ𝐵         𝑟  𝑠𝑒𝑛 θ 𝜕ϕ 𝜕θ senθ 𝜕θ 𝜕𝑟  r 𝜕𝑟 𝑟

Coordenadas esféricas

𝛻 B

25 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ec. continuidad comp. j (balance de materia comp. j)

C j    (C j  v )  D j  2 C j  rj t Coordenadas rectangulares

𝜕  𝐶 𝜕  𝐶 𝜕  𝐶 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜  𝐷  𝐷  𝐷  𝑟    𝜕𝑥  𝜕𝑧 𝜕𝑦  𝜕𝑧  𝜕𝑡 𝜕x 𝜕y

𝜕𝐶

Coordenadas cilíndricas

𝜕  𝐶 1 𝜕𝐶 𝜕  𝐶 𝜕𝐶 1 𝜕 𝑟  𝐶  𝑣 𝜕 𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣 1 𝜕  𝐶      𝐷  𝐷  𝑟  𝐷  𝜕𝑡 𝜕𝑟 𝜕𝑟  𝑟 𝜕𝑟 𝑟 𝑟 𝜕𝜃 𝑟 𝜕𝜃  𝜕𝑧 𝜕𝑧  Coordenadas esféricas

𝜕𝐶 1 𝜕 𝑟   𝐶  𝑣 1 𝜕 𝑠𝑒𝑛𝜃  𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣     𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜙 𝜕𝑡 𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝜃

𝜕  𝐶 2 𝜕𝐶 𝜕  𝐶 1 𝜕  𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜕𝐶 1  𝐷   𝑟  𝐷  𝐷   𝑟 𝜕𝜃  𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜃 𝑟 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝜕𝜙  𝜕𝑟  𝑟 𝜕𝑟

26 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ec. continuidad comp. j (balance de materia comp. j)

  (C j  v )  D j   2 C j  r j

Régimen estacionario

Coordenadas rectangulares

𝜕  𝐶 𝜕  𝐶 𝜕  𝐶 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜  𝐷  𝐷  𝐷   𝑟   𝜕𝑥  𝜕𝑧 𝜕𝑦  𝜕𝑧 𝜕x 𝜕y

Coordenadas cilíndricas

𝜕  𝐶 1 𝜕𝐶 𝜕  𝐶 𝜕 𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣 1 𝜕  𝐶 1 𝜕 𝑟  𝐶  𝑣     𝐷  𝑟  𝐷    𝐷 𝜕𝑟 𝜕𝑟  𝑟 𝜕𝑟 𝑟 𝑟 𝜕𝜃 𝑟 𝜕𝜃 𝜕𝑧 𝜕𝑧 

Coordenadas esféricas

1 𝜕 𝑟   𝐶  𝑣 1 𝜕 𝑠𝑒𝑛𝜃  𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣   𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑟 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜙 𝜕𝑟 𝜕𝜃

𝜕  𝐶 2 𝜕𝐶 𝜕  𝐶 1 𝜕  𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜕𝐶 1  𝐷   𝑟  𝐷  𝐷   𝑟 𝜕𝜃  𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜃 𝑟 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝜕𝜙  𝜕𝑟  𝑟 𝜕𝑟

27 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ec. continuidad comp. j (balance de materia comp. j)

  (C j  v )  rj

Régimen estacionario + Sin difusión/dispersión

Coordenadas rectangulares

𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜 𝜕󰇛𝐶  𝑣 󰇜  𝑟   𝜕𝑧 𝜕x 𝜕y

Coordenadas cilíndricas

𝜕 𝐶  𝑣 1 𝜕 𝑟  𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣   𝑟  𝑟 𝜕𝜃 𝑟 𝜕𝑧 𝜕𝑟

Coordenadas esféricas

1 𝜕 𝑟   𝐶  𝑣 1 𝜕 𝑠𝑒𝑛𝜃  𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣  𝑟   𝜕𝜙 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝑟 𝜕𝜃 𝑟 𝑟𝑠𝑒𝑛𝜃 28 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ec. continuidad comp. j (balance de materia comp. j)

 D j   2 C j  rj

Régimen estacionario + Sin convección

Coordenadas rectangulares

Coordenadas cilíndricas

𝐷

𝜕  𝐶 𝜕  𝐶 𝜕  𝐶  𝑟 𝐷  𝐷  𝐷 𝜕𝑧  𝜕𝑦  𝜕𝑥 

𝜕  𝐶 𝜕  𝐶 1 𝜕𝐶 1 𝜕  𝐶  𝐷   𝑟   𝐷  𝑟 𝜕𝜃  𝜕𝑧 𝜕𝑟  𝑟 𝜕𝑟

Coordenadas esféricas 𝜕  𝐶 2 𝜕𝐶  𝐷 𝜕𝑟  𝑟 𝜕𝑟

𝜕  𝐶 1 𝜕  𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜕𝐶 1  𝐷    𝐷   𝑟 𝑟 𝜕𝜃  𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕𝜃 𝑟 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝜕𝜙  29 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Balance de materia en un reactor de flujo pistón (PFR) Qe 󰇛m3/s󰇜 C je 󰇛mol j/m3󰇜 Fje 󰇛mol j/s󰇜

Alternativa 3

rj 󰇛mol j/󰇛sm3󰇜󰇜 j = componentes

𝐹  𝑄 · 𝐶

Q󰇛z󰇜 Cj󰇛z󰇜 Fj󰇛z󰇜

rj

𝜕 𝐶  𝑣 1 𝜕 𝑟  𝐶  𝑣 1 𝜕 𝐶  𝑣    𝑟 𝜕𝑟 𝑟 𝑟 𝜕𝜃 𝜕𝑧 𝑑 𝐶  𝑣  𝑟 𝑑𝑧

Régimen estacionario + Sin difusión/dispersión

Rr

𝑣  0; 𝑣  0

1 𝑑 𝐶  𝑄   𝑟 𝑑𝑧 𝜋𝑅

  (C j  v)  rj coord. cilín.

𝑄  𝑣 · 𝜋𝑅



𝑑𝐹  𝜋𝑅 · 𝑟  0 𝑑𝑧 

Cond. inic. 

𝑑𝐹  𝑟  0 𝑑𝑉

𝑑󰇛𝑄 · 𝐶 󰇜  𝑟  0 𝑑𝑉

30 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ejercicio 1: Ejemplo 4.7 Rawlings Pirólisis de etano en presencia de NO para formar eteno

J.B. Rawlings & J.G. Ekerdt, Chemical Reactor Analysis & Design Fundamentals 2nd Ed, Nob Hill Publishing, 2013

31 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ejercicio 1: Ejemplo 4.7 Rawlings Pirólisis de etano en presencia de NO para formar eteno

J.B. Rawlings & J.G. Ekerdt, Chemical Reactor Analysis & Design Fundamentals 2nd Ed, Nob Hill Publishing, 2013

32 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ejercicio 1: Ejemplo 4.7 Rawlings Pirólisis de etano en presencia de NO para formar eteno

J.B. Rawlings & J.G. Ekerdt, Chemical Reactor Analysis & Design Fundamentals 2nd Ed, Nob Hill Publishing, 2013

33

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Balance de energía en un reactor de flujo pistón (PFR) Qe 󰇛m 3/s󰇜 Cje 󰇛mol j/m 3󰇜 F je 󰇛mol j/s󰇜 Te 󰇛K󰇜

Alternativa 2

𝐹  𝑄 · 𝐶

rj 󰇛mol j/󰇛sm3󰇜󰇜 Δhj 󰇛J/󰇛mol j󰇜󰇜 q 󰇛J/s󰇜

dq

 𝐹 · ∆ℎ

dV



 𝐹 · ∆ℎ 

rj



BE en RE

𝑑 ∑ 𝐹 · ∆ℎ 𝑑𝑧

· 𝑑𝑧

dz

 𝐹 · ∆ℎ   𝐹 · ∆ℎ  





𝑑 ∑ 𝐹 · ∆ℎ 𝑑𝑞 0  𝑑𝑧 𝑑𝑧

𝑑 ∑ 𝐹 · ∆ℎ · 𝑑𝑧  𝑑𝑞  0 𝑑𝑧 

𝑑 ∑ 𝐹 · ∆ℎ 𝑑𝑉



𝑑𝑞 0 𝑑𝑉

34 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Balance de energía en un reactor de flujo pistón (PFR) 𝑑 ∑ 𝐹 · ∆ℎ  𝑑𝑞  0  𝑑𝑉 𝑑𝑉

  



𝑑𝐹 𝑟 0 𝑑𝑉 



𝑑 𝐹 · ∆ℎ 𝑑𝑞  0  𝑑𝑉 𝑑𝑉

𝑑∆ℎ 𝑑𝐹 𝑑𝑞  0 · ∆ℎ   𝐹 · 𝑑𝑉 𝑑𝑉 𝑑𝑉 

𝑑∆ℎ  𝑐 · 𝑑𝑇

  𝑟 · ∆ℎ   𝐹 · 𝑐 · 



𝑟   𝜈 · 𝑟 

𝑈 · 2𝜋𝑅 · 𝑑𝑧 · 𝑇  𝑇 𝑑𝑇 0  𝑑𝑉 𝜋𝑅 · 𝑑𝑧

  ∆ℎ ·  𝜈 · 𝑟 



𝑑𝑞  𝑈 · 2𝜋𝑅 · 𝑑𝑧 · 𝑇  𝑇



𝑈 · 2 · 𝑇  𝑇 𝑑𝑇 ·  𝐹 · 𝑐  0 𝑑𝑉 𝑅 

35 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Balance de energía en un reactor de flujo pistón (PFR)   ∆ℎ ·  𝜈 · 𝑟 





𝑑𝑇 ·  𝐹 · 𝑐 𝑑𝑉 



𝑈 · 2 ·𝑅𝑇  𝑇  0

  𝑟 ·  𝜈 · ∆ℎ  𝑑𝑇 ·  𝐹 · 𝑐  𝑈 · 2 · 𝑇  𝑇  0 𝑅 𝑑𝑉 



  𝑟 · Δℎ  

𝑑𝑇 𝑈 · 2 · 𝑇  𝑇 ·  𝐹 · 𝑐  0 𝑅 𝑑𝑉

  𝑟 · Δℎ  





𝑑𝑇 𝑈 · 2 · 𝑇  𝑇 · 𝑐   𝐹  0 𝑅 𝑑𝑉 

𝑇 0  𝑇

36 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ejercicio 2: Ejemplo 6.5 Rawlings Oxidación de o-xileno a anhídrido ftálico

J.B. Rawlings & J.G. Ekerdt, Chemical Reactor Analysis & Design Fundamentals 2nd Ed, Nob Hill Publishing, 2013

37 © [email protected]

Antecedentes: reactor de flujo pistón (PFR)

Ejercicio 2: Ejemplo 6.5 Rawlings Oxidación de o-xileno a anhídrido ftálico

𝐸 1 1 𝑟  𝑘 · 𝑒𝑥𝑝  ·  𝑅 𝑇 𝑇

· 𝐶  𝑘 · 𝐶

J.B. Rawlings & J.G. Ekerdt, Chemical Reactor Analysis & Design Fundamentals 2nd Ed, Nob Hill Publishing, 2013

38 © scardona...