Cinetica Quimica y Catalisisen reactores de laboratorio

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    Proyecto. CinéticaQuímica y Catálisis en

    Reactores de

    Laboratorio.

    Facultad de Química 

    Claudia Marlene Covarrubias Sánchez

    310228538

    Facultad de Química

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    Proyecto. Cinética Química y Catálisis en Reactores de Laboratorio. 1

    ÍndiceIntroducción……………………………………………………………………..…………2  

    Preguntas. ……………………………………………………………………..…………..3  

    ¿Qué es un reactor químico?...............................................................................3

    ¿Qué significa el término “Scale-Up”?..................................................................4

    ¿Qué son los datos cinéticos?..............................................................................6

    ¿Qué técnica se utiliza para evaluar una reacción química?...............................8

    ¿Qué tipo de reactores industriales existen?.....................................................13¿Cuáles son los 6 parámetros que se utilizan en el diseño de un reactor?.......16

    Encuentra datos experimentales de reactores básicos de laboratorio con su

    gráfica y ecuaciones cinéticas correspondientes…………………………………18 

    Conclusión………………………………………………………………………………20  

    Bibliografia………………………………………………………………………………21

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    IntroducciónEn el estudio y caracterización de reacciones químicas con uno o entre varios

    compuestos denominado sistema químico o el diseño de reactores químicos, es

    necesario conocer en primer lugar el tipo de reacciones implicadas. Hay diferentes

    maneras de clasificar las reacciones químicas pero el esquema más útil es

    dividirlas en 2 grandes grupos de acuerdo a las fases implicadas: homogénea y

    heterogénea. Una reacción homogénea se realiza en una sola fase, y la reacción

    heterogénea necesita por lo menos 2 fases para que se pueda llevar a cabo. En

    esta clasificación se toma como fase un sistema en el cual existe homogeneidadde temperatura, presión y composición.

    También puede realizarse una subdivisión de los 2 tipos de reacciones anteriores

    de manera que aparecen las reacciones catalizadas y las no catalizadas. Las

    primeras usan materiales denominados catalizadores que actúan acelerando la

    reacción. Un catalizador es una sustancia que incrementa la velocidad a la que

    una reacción química se aproxima al equilibrio sin ser consumida en el proceso.

    Reacciones No catalizadas Catalizadas

    Homogéneas La mayor parte de reacciones enfase gaseosa

    La mayor parte dereacciones en fase liquida

    Heterogéneas Tostación de mineralesCombustión de solidosReacciones de neutralización gas-sólido

     Absorción gas-liquido con reacciónquímica

    Síntesis de amoniaco (Fe,Cr)Craqueo de naftas (alum.,zeol.)OxidaciónSíntesis de éteres a partirde alcoholes y olefinas(resina int. iónico

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    Preguntas.

    1. ¿Qué es un reactor químico?

    El recipiente que tiene lugar la reacción se denomina reactor químico. En

    experimentos cinéticos se suelen emplear básicamente 2 tipos distintos de

    reactores:

    a) Reactores discontinuos: son los más utilizados. Están constituidos por unrecipiente cerrado en el que la mezcla de reacción se encuentra

    perfectamente agitada. Suele operar a temperatura y volumen constantes.

    Inicialmente, el reactor se carga con los reactantes y el sistema evoluciona

    según avanza la reacción. La velocidad de reacción se determina a partir de

    la variación de las concentraciones con el tiempo.

    b) Reactores continuos: a los que se alimenta una corriente de composición

    constante y conocida de manera que el reactor opera en continuo.

    Normalmente se analiza la concentración de la corriente de salida cuando

    el sistema ha alcanzado el estado estacionario. Los modelos de flujo más

    utilizados son los que más se aproximan a la situación de reactores ideales:

    el reactor continúo de mezcla perfecta y el reactor tubular de flujo en pistón.

    Los reactores de mezcla perfecta, ya sea en continuo o descontinuo, se

    suelen emplear para reacciones entre líquidos, reacciones de fase liquida

    que den lugar a sólidos y reacciones de líquidos con gases que borbotean.

    Los reactores de flujo en pistón son más indicados para reacciones en fase

    gas o liquida, catalizadas por solidos por el mayor contacto entre la fase

    fluida y el sólido. 

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    2. ¿Qué significa el término “Scale-Up”? 

    Scale-Up de las reactor es eso de andar e importante para los ingenieros químicos

    y es el paso fundamental en la realización y optimización de las plantas

    industriales.

    Esto representa la síntesis de los conocimientos de cómo se acumuló en las

    diversas fases del desarrollo del proceso desde el diseño de los experimentos de

    laboratorio y la derivación de correlaciones cinéticas, del fluido, a los experimentos

    de dinámica de fluidos, los modelos matemáticos, el diseño y el funcionamiento

    del piloto y plantas industriales.

    El término "scale-up" ha sido por lo general explicó que "la forma de diseñar unpiloto o reactor industrial capaz de replicarse a través de una metodología

    estándar de los resultados obtenidos en el laboratorio".

    Esta es una definición limitante, ya que la experiencia ha demostrado que en

    realidad no existe una forma estándar a través de la innovación de procesos.

    Factores cruciales en el "scale-up" son no sólo el conocimiento técnico sino

    también la capacidad de asumir el negocio.

    Como cuestión de hecho, en el pasado, las decisiones no siempre han sido

    suficientemente apoyadas por evidencias experimentales adecuadas y, aún hoy

    en día, la operación de la planta industrial se basa principalmente en la

    experiencia. A partir de las observaciones anteriores, se puede trazar una

    definición más amplia de "scale-up", como una mezcla de conocimientos técnicos

    y las ideas innovadoras y metodologías estándares y criterios básicos con una luz

    tenue de la iniciativa empresarial. Con referencia a los reactores químicos, pida el

    núcleo de un proceso no existe una regla general y no directa, procedimiento para

    lograr estos objetivos.

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    Las razones son muchas:

    -  Datos cinéticos son peculiares al sistema reactivo. A menudo cinética están

    enmascarados por fenómenos de transporte y la dinámica de fluidos hasta

    el punto que a veces no tienen ninguna importancia para el proceso.

    -  Industriales tecnologías de escala están raramente relacionados con

    equipos de laboratorio incluso si la industria está llena de equipos de

    laboratorio ampliada.

    -  Aparatos completamente diferentes son posibles para la misma reacción y

    reacciones pueden llevarse a cabo en diferentes fases: solución,

    suspensión, destilación y extracción de columnas.

    -  Otras cuestiones, a menudo ignorados en el trabajo de desarrollo, tales

    como impurezas, envejecimiento de catalizadores, corrosión y seguridad

    pueden representar un riesgo importante para el éxito.

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    3. ¿Qué son los datos cinéticos?

    Los datos cinéticos se obtienen en el laboratorio a partir de experimentos en los

    que se hacen reaccionar una mezcla de reactantes de concentración definida.

    La concentración de las especies químicas se miden usando distintas técnicas,

    que pueden clasificarse en:

    a) Métodos Químicos: como volumetrías o gravimetrías de muestras extraídas

    del reactor a tiempos conocidos. En general, acostumbran a ser métodos

    lentos, por los que no son indicados para estudiar reacciones rápidas. Pero

    incluso si la reacción es lenta puede ser necesario frenar la reacción encada una de las muestras recogidas, mediante enfriamiento súbito, o

    añadiendo inhibidores que luego también pueden interferir en el análisis. 

    b) Método físico: basados en la medida de alguna propiedad física

    directamente relacionada con la concentración de una o varias especies

    presentes en el medio. Suelen presentar la ventaja de que no es necesario

    perturbar el sistema reaccionante, como sucede al extraer muestras, si no

    que las medidas se realizan in-situ. Como inconveniente se encuentra la

    necesidad de realzar calibrados previos para relacionar la propiedad

    medida con la concentración. Algunos ejemplos de este tipo de métodos

    son las medidas de presión, espectrofotométricas, de conductividad

    térmica, de índice de refracción, o la cromatografía. 

    En base a la variación de concentraciones que ha tenido lugar en el medio de

    reacción entre la entrada y la salida del reactor, o al transcurrir un determinado

    periodo de tiempo, se determina la velocidad de reacción experimental. En este

    paso debe considerarse que tipo de reactor se ha utilizado, puesto que la variación

    de concentración observada entre la entrada y la salida dl reactor depende del

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    reactor usado, mientras que la velocidad de reacción es una característica

    intrínseca, es decir, su modelo de flujo.

    Existen dos tipos de métodos aplicables a los datos experimentales para obtener

    la ecuación cinética:

    a) Métodos diferenciales: consisten en calcular la velocidad de reacción en

    cada instante, y por tanto para cada distinta composición del sistema de

    reacción, a partir de la pendiente de la curva concentración- tiempo en base

    a la definición de la velocidad de reacción. 

    − = −  Los pares de valores concentración-velocidad de reacción sirven para

    ajustar la ecuación cinética propuesta, lo que permite decidir si esa

    ecuación es adecuada para predecirlos valores de la velocidad de reacción

    y, si es así, determinar los valores óptimos de las constantes de la

    ecuación.

    b) Métodos integrales: En estos se comparan los datos experimentales

    concentración-tiempo con los valores contenidos teóricamente al aplicar el

    balance de materia no estacionario al reactor discontinuo, que en caso de

    que el volumen se mantenga constante corresponde a la integración de la

    ecuación: 

    −   = − Mediante el ajuste de los valores calculados a los datos experimentales se obtiene

    el valor de los parámetros de la ecuación cinética.

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    4. ¿Qué técnica se utiliza para evaluar una reacción química?

    Existen 2 métodos para evaluar una reacción química.

    a) Método diferencial.

    Suponen la determinación de la velocidad de reacción a partir de la pendiente de

    la curve concentración-tiempo (c-t). Esta diferenciación se realiza mediante

    métodos gráficos o numéricos.

    Los métodos gráficos consisten en situar los puntos experimentales en un gráfico

    c-t, dibujar la mejor curva que pase por ellos y trazar la tangente a esa curva paradistintos instantes: la derivada corresponde al valor de la pendiente de esas

    tangentes.

    Los métodos numéricos permiten obtener el valor de la pendiente mediante

    trasformaciones numéricas. Cuando los puntos experimentales se encuentran

    suficientemente próximos, la velocidad e reacción puede estimarse de forma

    bastante aproximada asumiendo los incrementos a diferenciales. Es decir, si se

    tienen 2 pares de valores (t1,c A1) y (t2,c A2), entonces:

      ≈ ∆∆   =  −  −    =  + 2  

    Sin embargo es más aconsejable usar otros métodos con menor error, como por

    ejemplo ajustar los datos experimentales a una función matemática. Esta función

    puede ser de cualquier tipo, pero debe representar adecuadamente a los puntos

    experimentales en el intervalo considerado. Con este fin, es aconsejable

    comprobar gráficamente que el ajuste es correcto. Dado que la función

    matemática es conocida, su derivada permite obtener el valor de la pendiente paracualquier valor de la concentración.

    -  Reacciones con un solo reactante: Considérese la reacción química

    irreversible en la que únicamente o participa un reactante.

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      → + + ⋯Con una ecuación cinética:

    =  

    En este caso, la constante cinética y el orden de reacción pueden

    determinar el ajuste no lineal de los datos experimentales a la ecuación

    cinética. Sin embargo, también es posible linealizar el modelo tomando

    logaritmos, con los que el ajuste se4 convierte en lineal, fácilmente

    realizable mediante una regresión lineal:

    = + Por tanto si es modelo cinético es de tipo potencial, al representar los

    valores experimentales de ln(r) frente a c A, esos puntos se disponen sobre

    una línea recta, cuya pendiente considera con el orden de reacción y cuya

    ordenada en el origen de In(k).

    Para modelos no potenciales, también puede linearse la ecuación cinética.

    -  Reacciones con más de un reactante: Considérese una reacción

    irreversible en la 1que participan como reactantes más de un compuesto.  + + → Con una ecuación cinética de tipo potencial:

    =     La obtención de los órdenes de reacción βi y del valor de la constante

    cinética k a partir de los datos experimentales es, obviamente, más

    dificultosa que en el caso de un solo reactante. Un procedimiento aplicable

    seria linealizar la ecuación cinética para obtener:

    = + +  +  b) Método integral.

    El tratamiento de los datos cinéticos también pueden realizarse directamente a

    partir de la curva c-t. El procedimiento consiste en realizar el balance de materia

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    del reactor, en el que es necesario integrar la ecuación cinética, por lo que recibe

    el nombre de método integral.

    Cuando el reactor es discontinuo de mezcla perfecta, de volumen constante, el

    balance de materia para un componente se reduce a una forma muy sencilla,

    puesto que el sistema es cerrado y la velocidad de reacción es la misma en

    cualquier punto del reactor.

    − = − =    =   … 

    1   =   … Dadas las condiciones iniciales de concentración, la integración de esta ecuación

    indica como varia la concentración con el tiempo para la ecuación cinética

    propuesta. La forma de esta función depende del orden de reacción. Si la

    ecuación cinética ensayada es correcta, los datos experimentales se describirán

    correctamente. Si no, será necesario proponer otra ecuación cinética.

    -  Reacciones con un solo reactante.

    Reacciones irreversible.

    Considérese la reacción química:

      → + + ⋯Que tiene lugar en un reactor discontinuo de mezcla perfecta y cuya

    cinética puede describirse mediante la expresión:

    =  Cuando hay cambio de volumen Cuando no hay cambio de volumen1

    1

      =  1

      =  Donde V corresponde al volumen de la mezcla de reacción en el instante

    considerado.

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    Orden Ecuación cinética Tiempo medio

    Cero  = 0 +   ⁄   =   0−2 Uno  = 0 − 2  ⁄   =   2− Dos 1

     =  10 + 2  ⁄   =

      1−0 

    Reacciones reversible.

    Considérese ahora una reacción reversible de primer orden a volumen

    constante de la forma:

      ↔  Para este sistema como es difícil encontrar una expresión lineal entre la

    composición del medio y el tiempo si se emplean concentraciones. Sin

    embargo, empleando la conversión relativa se puede llegar a una expresión

    relativamente sencilla si se conoce la constante de equilibrio de la reacción

    a la temperatura de trabajo.

     = 

      =  +  = − +  

    Donde r d es la velocidad de reacción directa con constante de velocidad k d y r i es

    la velocidad de reacción inversa con constante ki. Teniendo en cuenta que las

    concentración inicial de B, cB0, puede ser no nula, es conveniente definir el

    siguiente parámetro adimensional.

    = 00 Para el sistema propuesto, el invariante de reacción viene dado por la

    estequiometria. La concentración de B en todo instante puede escribirse enfunción de la conversión intensiva X A y del parámetro M:

     = 0 + = 0 + 0 −  = 0 + 0  = 0 +  ∴    = 1− − +  

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     =   1− +     =

      + 1 + (−)

     

    Integrando…. 

    1−     = −  + 1 +  

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    5. ¿Qué tipo de reactores industriales existen?

    Los reactores por lotes se usan en operaciones a pequeña escala para probar

    procesos nuevos que todavía no se han perfeccionado, para fabricar produc6tos

    de alto costo y procesos que son difíciles de convertir en operaciones continuas.

    El reactor se puede cagar a través de las boquillas en su tapa. El reactor por lotes

    tiene la ventaja que se pueden obtener conversiones elevadas si se deja el

    reactivo en el reactor durante periodos largos de tiempo, pero también tiene la

    desventaja de que los costos de mano de obra por lote son elevados y de que es

    difícil efectuar producción a gran escala.

    a) Reacciones en fase liquida. 

    Tiene las ventajas de un buen control de la temperatura y la posibilidad de

    minimizar las reacciones colaterales no deseadas durante el mantenimiento

    de una concentración baja de uno de los reactivos. El reactor semilotes se

    usa con reacciones de 2 fases en las que por lo regular se burbujea un gas

    continuamente que través del líquido.

    Se usa un reactor de tanque con agitación continua (CRTR) cuando se

    requiere agitación intensa.

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    b) Reacciones en fase gaseosa. 

    El reactor tubular (reactor de flujo tapón (PFR)) es relativamente de

    mantener y por lo regular tiene la conversión más alta por volumen de

    reactor de todos los reactores de flujo. La desventaja del reactor tubular es

    difícil de controlar la temperatura dentro del reactor, y pueden presentarse

    puntos calientes cuando la reacción es exotérmica. El reactor tubular suele

    adoptar la forma de un tubo largo o de uno de varios reactores más cortos

    dispuestos en un banco de tubos, como se muestra en la figura.

    Casi todos los reactores de flujo en fase liquida homogénea son CSTRE,

    mientras que casi todos los reactores de flujo en fase gaseosa homogénea

    son tubulares.

    Un reactor de lecho empacado (llamado de lecho fijo) es

    básicamente un reactor tubular empacado con partículas sólidas de

    catalizador. Este sistema de reacción heterogéneo se usa por lo regular

    para realizar reacciones de gases. Tiene los mismos problemas de control

    de temperatura que otros reactores tubulares, además, el remplazo del

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    catalizador suele ser laborioso. De vez en cuando ocurre una canalización

    de flujo de gas lo que da pie a un uso ineficiente de partes del lecho del

    reactor. La ventaja del reactor del lecho empacado es que con la mayor

    parte de las reacciones produce la conversión más alta por el peso de

    catalítico de todos los reactores catalíticos.

    El reactor de lecho fluidizado es análogo al CSTR en cuanto a que su

    contenido a pesar de ser heterogéneo, está bien mezclado, y la temperatura

    se distribuye de manera uniforme en todo el lecho. El reactor no se puede

    modelar como un CSTR ni como un reactor tubular PFR; requiere su propio

    modelo. La temperatura es relativamente uniforme en todos los puntos, con

    lo que se evitan los puntos calientes. Este tipo de reactor puede manejargrandes cantidades de flujo de alimentación y sólidos, y tiene buen control

    de la temperatura: por esas razones se le usa en un gran número de

    aplicaciones. La ventaja que representa la facilidad de reemplazo o

    regeneración de catalizador que veces se contrarresta por el alto costo del

    reactor y del equipo para regenerar el catalizador.

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    6. ¿Cuáles son los 6 parámetros que se utilizan en el diseño de un

    reactor?

    Para esta ecuación existen 4 parámetros que requieren de un mínimo de 5

    experimentos distintos para poder ser determinados. No todas las condiciones, es

    decir las concentraciones delos reactantes, para realizar los experimentos están

    indicadas para conseguir una buena estimación de los parámetros. Para ellos, es

    necesario realizar un buen diseño de experimentos.

    = + +  +  Existen métodos más sencillos de determinación de órdenes de reacción y las

    constantes cinéticas consistentes en simplificar el sistema de reacción para poder

    aplicar los procedimientos de acuerdo a una reacción con un solo reactante.1. Método de componentes en exceso. Permite determinar el orden de uno

    de los reactantes. Consiste en usar un gran exceso de todos los

    reactantes, excepto el que se examina, de manera que en el transcurso

    de la reacción puede considerarse que las concentraciones de los

    reactantes en exceso es prácticamente constante, por lo que pueden

    incluirse en la constante cinética k para constituir una pseudoconstante

    k’.

    2. Método de cantidades estequiométricas: Este método permite

    determinar el orden cinético global de la reacción que corresponde a la

    suma de los órdenes cinéticos parciales de todos los reactantes que

    intervienen en la ecuación cinética. Se basa en llevar a cabo la reacción

    partiendo de una mezcla en la que los reactantes se encuentran en una

    relación molar igual a su relación estequiométrica. Por lo tanto esta

    relación se mantiene en todo el transcurso de la reacción.

    3. Método de las velocidades iniciales: Este método es especialmente

    indicado para reacciones en las que el producto se descompone o

    interfiere de alguna manera en el trascurso de la reacción. Consiste en

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    determinar la velocidad de reacción en la etapa inicial de la reacción, en

    la que únicamente los reactantes están presentes en el medio de una

    concentración perfectamente conocida. A partir de la pendiente de la

    curva c-t, extrapolándola a tiempo t=0, se calcula la velocidad de

    reacción.

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    7. Encuentra datos experimentales de reactores básicos de laboratorio

    con su gráfica y ecuaciones cinéticas correspondientes.

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    Conclusión.La cinética química de y el diseño de reactores son fundamentales para la

    producen de casi todas las sustancias químicas industriales. Son principalmente

    sus conocimientos en cinética química y diseño de reactores lo que distingue al

    ingeniero químico de otros ingenieros. La selección de un sistema de reacción que

    opere en la forma más segura y eficiente posible que puede ser clave del éxito o

    fracaso económico de una planta química. Por ejemplo, si un sistema de reacción

    genera una gran cantidad d producto indeseable, o la purificación separación

    subsecuente del producto deseado podría ser impráctico, desde el punto de vista

    económico, todo el proceso. Los principios de cinética química no solo se pueden

    aplicar a la producción de sustancias químicas, sino también a otras áreas comolos sistemas vivos, el tratamiento de desechos, la contaminación delo aire y el

    agua.

    La cinética química se concentra en diversos temas de ingeniería de reacciones

    químicas. Uno de ellos es la velocidad con que ocurren las reacciones químicas,

     junto con el mecanismo y los pasos limitantes de la velocidad que controlar el

    proceso de reacción. El dimensionamiento de reactores químicos para alcanzar

    las metas de producción, es un segmento importante. El comportamiento de los

    materiales dentro de los reactores, tanto químico como físico, es importante para

    el diseñador de un proceso químico, lo mismo que la manera correcta de registrar,procesar e interpretar los datos de los reactores químicos.

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    Bibliografía.  José Felipe Izquierdo. (2004). Cinética de las Reacciones Químicas.

    Barcelona: Ediciones Universitat de Barcelona.

      Fogler H. Scott. (2001). Elementos de ingeniería de las reacciones

    químicas. New Jersey, E.U.A: Prentice Hall.