DISEÑO PARA REACCIONES EN PARALELO

afortunadamente no es así, porque muchos esquemas de reaccionesmúltiples pueden considerarse como combinaciones de dos tipos fundamentalesde reacciones: reacciones en paralelo y reacciones en serie.

INTRODUCCIÓN A LAS REACCIONES MÚLTIPLES

En el capítulo anterior sobre sistemas con una sola reacción se DEMOSTRÓ que el diseño (tamaño) de un reactor es afectado por el tipo de flujo que se mantenga en el recipiente. En este capítulo y en el siguiente se amplía la discusión a las reacciones múltiples y se demuestra que en el caso de éstas, tanto el tamaño del reactor como la distribución de los productos de reacción son afectados por el tipo de flujo. Se ha de recordar en este punto que la distinción entre un sistema de una reacción y uno de reacciones múltiples, es que la reacción simple requiere solamente una expresión cinética para describir su comportamiento, mientras que las reacciones múltiples necesitan más de una expresión cinética.

ESTUDIO CUALITATIVO ACERCA DE LA

DISTRIBUCIÓN DE PRODUCTOS

Considerar la descomposición de A por cualquiera de los

dos mecanismos siguientes:

con las ecuaciones cinéticas

correspondientes

Dividiendo la ecuación 2a por la ecuación 2b. se tiene una medida de las velocidades

relativas de formación de R y S. Así.

CA se puede mantener en un valor bajo durante el transcurso de la reacción por uno de los métodos siguientes: empleando un reactor de tanque agitado, manteniendo conversiones altas, aumentando la cantidad de inertes en la alimentación, o disminuyendo la presión en sistemas en fase gaseosa.

CA se puede mantener en un valor alto empleando un reactor intermitente o un reactor de flujo pistón, manteniendo conversiones bajas, eliminando inertes de las corrientes de alimentación, o aumentando la presión en los sistemas de fase gaseosa.

Si a1 > a2, o si el orden de la reacción deseada es mayor que el de la reacción no deseada, la ecuación 3 muestra que es deseable una concentración alta de reactivo ya que ésta aumenta la relación S/R. Como consecuencia, un reactor intermitente o uno de flujo pistón favorecerá la formación del producto R y requerirá un tamaño mínimo del reactor.

Si a1 < a2. o si el orden de la reacción deseada es menor que el de la reacción no deseada, se necesita una concentración baja del reactivo para favorecer la formación de R. Pero esto hará que se requiera también un reactor de tanque agitado de gran tamaño.

Si a1 = a2, es decir las dos reacciones son del mismo orden, entonces la ecuació11 3 se convierte en:

Por lo tanto, la distribución de productos está fijada solamente por k2/k1 y no es afectada por el tipo de reactor empleado.

Para las reacciones en paralelo, la concentración de los reactivos constituye la clave para el control adecuado de la distribución de productos. Una concentración alta del reactivo favorece la reacción de orden mayor; una concentración baja favorece la reacción de orden menor; mientras que en el caso de reacciones del mismo orden la concentración de reactivo no influye en la distribución de productos.

Cuando se trata con más de un reactivo, se pueden obtener combinaciones de concentraciones altas o bajas controlando la concentración de las corrientes de alimentación, manteniendo ciertos compuestos en exceso, o bien usando la forma de contacto correcta entre los fluidos reaccionantes. las figuras 7.1 y 7.2

MODELOS DE CONTACTOPARA REACCIONES EN PARALELO

• LA REACCIÓN DESEADA EN FASE LÍQUIDA

• VA ACOMPAÑADA DE LA REACCIÓN LATERAL NO DESEADA

• DESDE EL PUNTO DE VISTA DE UNA DISTRIBUCIÓN FAVORABLE DE PRODUCTO. ORDENAR LOS ESQUEMAS DE CONTACTO DE LA FIGURA 7.2, DESDE EL MÁS DESEABLE HASTA EL MENOS DESEABLE.

• DIVIDIENDO LA ECUACIÓN 5 POR LA ECUACIÓN 6 SE OBTIENE LA RELACIÓN

• la cual debe mantenerse en el valor más alto posible. De acuerdo con las normas de las reacciones en paralelo, hemos de mantener CA alta y CB baja, y puesto que la dependencia de la concentración de B es más pronunciada que la de A, es más importante emplear valores bajos de CB que altos de CA. Los modelos de contacto se ordenan. por tanto. tal como se muestra en la figura E7.l.

ESTUDIO CUANTITATIVO DE LA DISTRIBUCIÓN DE PRODUCTOS Y DEL TAMAÑO DEL REACTOR

Si se conocen las ecuaciones de velocidad para cada una de las reacciones, se puede determinar cuantitativamente la distribución de productos y el tamaño necesario del reactor. Por conveniencia, para evaluar la distribución se introducen dos términos: y <ᵩ. En primer lugar, considerar la descomposición del reactivo A, y sea la fracción de A que desaparece en cualquier instante transformándose en el producto deseado R. A esto se le conoce como rendimiento fraccional instantáneo de R. Así. para cualquier CA

Para cualquier conjunto dado de reacciones y ecuaciones cinéticas, es una función de CA. y como en general CB varía a lo largo del reactor. cp también variará con la posición en el reactor. Así, ᵩ se define como la fracción de todo el componente A que ha reaccionado y se ha convertido en R y se le llama rendimiento fraccional global de R. El rendimiento fracciona! global es entonces la media de los rendimientos fraccionales instantáneos en todos los puntos en el interior del reactor. Por tanto se puede escribir

Este rendimiento fracciona! global es el que realmente interesa, ya que representa la distribución de productos a la salida del reactor. La forma de calcular el valor medio de cp depende del tipo de flujo en el reactor. Así. para flujo pistón. donde CA cambia progresivamente a lo largo del reactor. a partir de la ecuación 7 se tiene:

Para flujo mezclado, la composición de CA es la misma en todos los puntos del reactor, por lo que también será constante en todo el reactor, y se tiene:

Los rendimientos fraccionales globales para los reactores de tanque agitado y de flujo pistón, en los que se transforma A desde CAO a C Af están relacionados por:

Estas expresiones permiten predecir el rendimiento de un tipo de reactor cuando se conoce el rendimiento del otro. Para una serie de 1, 2, ... , N reactores de tanque agitado en los que las concentraciones de A son CA1 CA2 ... , CAN el rendimiento fraccional global se obtiene sumando los rendimientos fraccionales en cada uno de los N reactores y ponderando esos valores por la cantidad de reacción alcanzada en cada reactor. Así:

Para cualquier tipo de reactor. la concentración de salida de R se obtiene directamente a partir de la ecuación 8. Así