Introducció a l'enginyeria dels reactors químics. Àngel Berna Prats
Читать онлайн книгу.
3.4.1 Sistemes d’intercanvi de calor
Ateses les característiques d’aquest reactor, els sistemes d’intercanvi seran externs, és a dir, Fintercanvi de calor tindrà Hoc a través de la paret. Els sistemes d’intercanvi seran: camises, resistències enrotllades, forns, etc.
on Tf = f(l), és a dir, la temperatura del fluid bescanviador ha de canviar d’una manera determinada al llarg del reactor per tal d’aconseguir el comportament isoterm. As és l'area d’intercanvi per unitat de longitud de reactor (és a dir, el perfmetre).
3.4.2 Relació X-τ(Qvo, V), per a distintes cinètiques
Per a comprovar una vegada més l’equivalència entre aquest reactor i el RDTA, com correspon a la similitud dels models matemàtics, amb els canvis de les variables respectives τ per tr, es mostrarà l’aplicació del model del balanc. de matèria a una cinètica de primer ordre. Suposem que es tracta d’un sistema de densitat constant. Reacció: A → productes r = k cA.
Aplicant el balang de matèria, equació (2.58),
Equacions equivalents a les (3.9). En el capítol 3 de l’Omnibook de Levenspiel (1993) es poden consultar les aplicacions d’aquests balangos a altres cinètiques. En lay taula 3.1 es comparen algunes de les equacions obtingudes per a distintes cinètiques i els diferents reactors ideals.
3.4.3 Flux de calor intercanviat
Per a calcular el flux de calor [q = f(l) = f(V) = f(x)] necessari per a mantenir el comportament isoterm s’utilitzarà el balanc. d’energia combinat amb el de matèria. Així, de l’equació (2.79):
Com que r variarà amb la composició (excepte si la reacció és d’ordre zero), i aquesta ho fa amb la posició, q (és a dir, la parella U-Tf o bé qA) s’haurà d’adaptar a aquesta evolució. Per això, la solució del balang de matèria ens informarà de la variació de la composició (X) al llarg del reactor (l o τ), i l’equació (3.21) ens permetrà calcular el valor de q que cal intercanviar en cada posició del reactor.
Ací es poden repetir, amb algunes diferències, els comentaris efectuats per al RCTA. Conegut X, es pot calcular Fp, o deixar Fp en funció del volum del reactor. Per a un sistema amb una sola reacció, volums grans de reactor i velocitats de reacció grans permetran obtenir una elevada producció.
Exemple 3.5
El Departament de Màrqueting de l’empresa on treballes ha determinat que es poden col·locar en el mercat 1260 tones/any d’un producte C (darrere d’aquesta denominació s’amaga un producte important, utilitzat en la fabricació d’una no menys important fibra). El reactor que s’haja d’utilitzar en aquest procés estarà operatiu 24 h/dia i 350 dies/any.
A fi d’estudiar algunes de les possibles alternatives es plantegen les qüestions següents:
a) Si la reacció es desenvolupa en un RCTA, estudieu la influència del cabal volumètric sobre el volum de reacció necessari. Amb aquest objectiu, determineu el volum d’aquest reactor per a, almenys, quatre cabals possibles i diferents. A la vista del model proposat i dels resultats obtinguts, hi ha algun cabal mínim per davall del qual no es pot aconseguir la producció desitjada?
b) Repetiu l’apartat anterior per al cas que el reactor que s’utilitze siga un RFP.
c) Si el procés es porta a terme en un RDTA ideal, on el temps de càrrega, descàrrega i neteja és de 2 h, analitzeu la influència de la conversió assolida en el reactor sobre el volum de reactor necessari. Per a això, calculeu el volum de reactor que es necessita per a quatre (com a mínim) valors del grau de conversió. A la vista dels resultats, creieu que hi ha algun grau de conversiótemps de reacció òptim?
Dades i Notes. El pes molecular de C és 50. La reacció té Hoc en fase líquida i es correspon amb l’estequiometria: A + B → C. La cinètica de la reacció, atès que s’utilitza un gran excés de B, pot aproximar-se a una de primer ordre. La constant de la velocitat de reacció, en les condicions d’operació, val 0.005 min-1. L’aliment de què es disposa té una concentració en A de 0.2 mol/L.
Solució:
La producció desitjada de C és 1260 tones/any = 50 mol/min = Fc. cAo = 0.2 mol/L.
a) Relació V-Qv per a un RCTA.
Els valors permesos de Qvo són aquells que condueixen a valors de X raonables. Com que 0 ≤ X ≤ 1, aleshores 250 ≤ Qvo. Cabals inferiors no permetrien assolir la producció desitjada. En la taula E3.5 es mostren alguns resultats de la conversió per a diferents cabals. Per a cada valor de Qvo amb (E3.5.2) calculem X, i amb (E3.5.1) Da, τ i V.
b) Relació V-Qv per a un RFP.
De la taula 3.1
L’equació (E3.5.2) és vàlida també en aquest cas, per la qual cosa els valors permesos de Qvo són 250 < Qvo. En la taula E3.5 es mostren alguns resultats de la conversió per a diferents cabals. Per a cada valor de Qvo amb (E3.5.2) calculem X, i amb (E3.5.3) Da, τ i V. Com que es tracta d’una reacció de primer ordre (ordre positiu) el volum necessari d’un RCTA és més gran que el d’un RFP, encara que les diferències es redueixen en ausmentar Qvo i disminuir X.
c) Relació V-X per a un RDTA.
De la taula 3.1
Donant valors a X, calcularem el del volum necessari; alguns resultats es mostren en la taula E3.5. Cal adonar-se que tr = τRFP, per al mateix X. Es pot veure que hi ha un mínim, per a determinar-lo fern dV/dX = 0, d’on X = 0.6 i V = 126353 L.
TAULA E3.5
Disseny d’un reactor per a desenvolupar la reacció A + B →C
3.5 Selecció del tipus de reactor i de les condicions d’operació. Temperatura òptima (o perfil òptim de temperatura)
En aquest capítol s’ha considerat el funcionament isoterm dels reactors. Cal preguntar-se, quan interessarà que el reactor funcione d’aquesta forma?, i d’una forma més general, quines són les condicions òptimes de funcionament d’un reactor?, i quin és el reactor més adequat per a una reacció donada? Des d’un punt de vista netament acadèmic, pot semblar que l’elecció, tant del tipus com del disseny