Reactores en Hysis

8/6/2019 Reactores en Hysis

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DISEO DE PROCESOSPRCTICAS DE HYSYS 1

ADRIANA ARISTIZBAL


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7.1 TIPOS DE REACCINES EN HYSYS

En Hysys hay dos tipos de modelos de reaccin

7. REACTORES QUMICOS EN

HYSYS

Modelos de reaccin que no

emplean parmetros cinticos:

Conversin y equilibrio.

Modelos de reaccin que

emplean parmetros cinticos:

Heterogneas catalticas, cinticas

y de rata simple.


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Con estos modelos no es posible

realizar el diseo de un reactor yaque la cintica de reaccin, el

volumen del reactor y su patrn de

flujo no tienen influencia en losclculos.

7.1.1 Modelos de reaccin que

NO emplean parmetros cinticos :


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Este tipo de reaccin no requiere ningn paquete paraprediccin.

Se debe especificar la estequiometra de la reaccin y laconversin que puede ser funcin de la temperatura.

Reacciones de Conversin

- La conversin no

puede exceder

100%.

- La reaccin procede

hasta que se alcance

la conversion

especificada o se

consuma el reactivo

lmite.


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Requieren conocer la relacin entre la constante

de equilibrio y la temperatura.

Hay formas diferentes de relacionar T con Keq en

hysys para este tipo de reaccin:

Reacciones de Equilibrio


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L

n(Keq) Equation:K

eq es funcin de laTemperatura de la siguiente forma:

Gibbs Free Energy

Relaciones Keq vs T:


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Fixed Keq: si Keq o Ln (Keq) es una constante

Keq vs T table: si se tienen datos de temperatura vs Keqde forma tabular.

-Reacciones de equilibrio (Equilibrium):


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Las Reacciones de Equilibrio son aplicable a

reacciones reversibles nicamente.

En este modelo se supone que siguiendo una

estequiometra determinada, la reaccin

avanza hasta que se alcanza el equilibrio entrelas sustancias involucradas.

Para especificarlo se requiere de la

estequiometra de reaccin y la constante deequilibrio como funcin de la temperatura.


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En hysys hay una base de datos de

Reacciones de Equilibrio de las cuales se

disponen de la relacin de Keq vs T.


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NOTALa Temperatura de todas las ecuaciones de

Keq SIEMPRE debe ser Kelvin, por lo tanto

los coeficientes A,B, etc debe ajustarse de

acuerdo a esta condicin. Si esto es muy

complicado deben generarse tablas de

Keq vs T y suministrar los datos de estaforma.


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7.1.2 Modelos de reaccin que

emplean parmetros cinticos :Al tener en cuenta la cintica, estos modelospermiten involucrar el patrn de flujo del

reactor y sus caractersticas geomtricasdentro de la simulacin; lo cual, sumado a uncriterio como la conversin deseada y/o la

selectividad requerida, permite dimensionarel equipo.


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Se debe especificar la expresin de la velocidad dereaccin de la siguiente forma:

Heterognea Cataltica


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Los trminos de las reacciones Heterogneas

Catalticas se refieren a las reacciones inversas y

directas (indicadas con ' ), donde:

K: constante de reaccin.

E: energa de activacin

A: factor pre-exponencialf(Basis): la propiedad de la cual depende la

velocidad de reaccin (concentracin, presiones

parciales)

Se debe especificar las unidades de la expresion

de la velocidad de reaccin.


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Cintica

Es aplicable a casos en los que la cintica limita lavelocidad de reaccin.

Puede ser empleado para caracterizar reacciones noelementales, reversibles e irreversibles, en donde loscoeficientes estequiomtricos coinciden o no con losrdenes cinticos de reaccin.

Para especificarlo se requiere de la estequiometriade reaccin, los ordenes de reaccin directa e inversade cada una de las sustancias en la reaccin, as como el factor de frecuencia y energa de activacinde las constantes de reaccin directa e inversa. Si lareaccin es irreversible pueden omitirse los rdenesde reaccin as como el factor de frecuencia y laenerga de activacin de la reaccin inversa.


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En esta pestaa se especifican los coeficientesestequiomtricos los cuales son negativos para reactivos ypositivos para productos los cuales si estn bien especificadosdeben tener un Balance Error de cero.

Tambin se deben especificar las orden de la reaccin inversay directa para cada componente.


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En la pestaa Basis hay que especificar cual esla propiedad base de la velocidad de reaccin,el componente al cual se refiere esta, el rangode temperatura para el cual es vlida lavelocidad de reaccin, la fase de la reaccin y

las unidades.


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La reacciones Kinetictienen la siguiente forma:


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Rata Simple Es aplicable a casos en los que la cintica limita la velocidad

de reaccin.

Puede ser empleado para caracterizar reacciones elementales reacciones no elementales, reversibles irreversibles, endonde los coeficientes estequiomtricos coinciden con losrdenes cinticos de reaccin.

Para especificarlo se requiere de la estequiometra dereaccin, el factor de frecuencia y energa de activacin de laconstante de reaccin directa. Para el caso de reaccionesreversibles, tambin se requiere de la constante de equilibrioen funcin de la temperatura.


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Tipo de Reaccin DESCRIPCIN

Conversion Conversion % (x % = C0 + C1T + C2T2)

Equilibrium

Keq=f(T); el equilibrio se basa en la estequiometria de la reaccin.

Keq= estimada o especificada

Gibbs

Minimizacin de la Energa Libre de Gibbs de todos los componentes

Kinetic Donde los parmetros de la reaccin inversa deben sertermodinmicamente consistentes.

Heterogeneous

Catalytic

Forma de Yang y Hougen : Esta forma incluye Langmuir-Hinshelwood,

Eley-Rideal y Mars-van Krevelen etc.

Simple Rate En la cual Keq es estimada a partir de los datos de equilibrio.

Reacciones en HYSYS:


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TIPS IMPORTANTES

Las reacciones que se definen en el SimulationBasis Environment se pueden asociar a variosreactores.

Cuando se realizan modificaciones a unareaccin desde un reactor, el cambio es local y

solo se asume en esa unidad.

Si se efectan cambios a una reaccin desdeel Simulation Basis Environment o en elpaquete de reacciones estos cambios sereflejan en todos los reactores que usen esteset de reacciones.


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TIPS IMPORTANTES

Se debe especificar la fase en la cual se lleva lareaccin. La opcin OVERALL es parareacciones en fase lquido-gas simultneo.

Se debe asociar un paquete de fluidos al setde reacciones, si esto no se hace por defectose asocia el paquete principal.

Se debe asociar las sustancias al set dereacciones


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7.2 TIPOS DE REACTORES

EN HYSYS

En HYSYS hay dos clases dereactores:

- Ideales- Generales.


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7.2.1 REACTORES IDEALES

Este tipo de reactores se puede asociarnicamente con cualquiera de los modelos

de reaccin que emplean parmetroscinticos.


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El PFR (Plug Flow Reactor, or Tubular Reactor) generalmenteconsiste en un banco de tubos. Se supone flujo tapn, lo quemplica que el flujo en la direccin radial es isotropico (singradiente de masa o energa). Se desprecia el flujo axial.

Cuando los reactivos atraviesan la longitud del reactor PFR, sonconsumidos continuamente y hay una variacin axial deconcentracin.

PFR


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Para obtener la solucin del PFR y los perfiles a travsde la longitud del reactor, este se divide en varios

subvolumenes (por defecto 20 subvolumenes enhysys).

Las EDO's del PFR son una adicin reciente a lospaquetes de simulacin y son resueltas mediante ladivisin del volumen en pequeos segmentos yencontrar una solucin secuencial para cada volumen.

Compuesto por una serie de tubos empacados concatalizador y rodeados por una coraza con fluidotrmico, la principal aplicacin se presenta en lasimulacin de sistemas reactivos en lecho cataltico.


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Se debe especificar en un PFR:

Parmetros geomtricos (nmero de tubos,dimetro y longitud de los tubos, dimetros yesfericidad del catalizador, etc..)

Caractersticas del fluido trmico (flujo,temperaturas de entrada y salida, etc..,) Temperatura de salida de sus productos lacantidad de calor que transfiere, as como

Presin de salida de los productos la cada depresin en su interior.

Reaccin y ley de velocidad


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DIMENSIONAMIENTO

Para dimensionar un PFR se deben especificar dos de lossiguientes parmetros: Volumen Total, Longitud y dimetro. Eltercer valor se calcula a partir de los dos especificados.

Especifique el nmero total de tubos en el PFR.

- En el campo Wall Thickness especificar el espesor del tubo.

Especifique la fraccin de espacio vaci (Void fraction) en el PFR.

Si esta fraccin es menor a 1 se requiere especificar los datos delcatalizador . El espacio vaci del reactor es calculado a partir delvolumen y de la fraccin de espacio vaco.


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Notas:

- Si no se especifica una corriente de energa laoperacin se considera adiabtica.

- Si selecciona el boton Ergun Equation para un PFR sincatalizador slido, Hysys fija la cada de presin encero.

- Active el checkbox Single Phase cuando la reaccin selleva a cabo en una sola fase. Si esta opcin estainactiva Hysys considera que la reaccin se lleva acabo en fase vapor-lquido.


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Simulacin de un PFR Adiabtico

El Estireno es un monmero usado en la produccin de

diferentes plsticos. El estireno se produce a partir de ladeshidrogenacin de etilbenceno:

C6 H5 C2 H5 C6 H5 CH = CH2 + H2

En este reactor no consideraremos el hecho de que la reaccin

anterior es una reaccin de equilibrio y se modelar este sistemausando la expresin de Cintica de Velocidad (Kinetic Rate):

Notar que la velocidad de reaccin tiene unidades y que el trminode la concentracin es presin parcial con unidades de kPa.


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C6 H5 C2 H5 C6 H5 CH = CH2 + H2


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1. Iniciar HYSYS2. Crear la lista de componentes

3. Crear el Fluid Package, use el paquete termodinmico Peng-Robinson.


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4. En la etiqueta Reactions del Simulation Basis Manager,

Presionar el botn Add Rxn para insertar la reaccin dedeshidrogenacin.


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Aparece la siguiente ventana con el visor de reacciones en lacual seleccionamos Kinetic .

7.

Abrir la etiqueta Stoichiometry y en la matrizStoichiometry and Rate Info, seleccionar la columnaComponent. Ingresar en esta columna los componentes queintervienen en la reaccin, automticamente aparece lacolumna Mole Wt.


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Luego colocar los valores de los coeficientes estequiomtricosen la columna Stoich Coeff, considerando valores negativos

para los reactantes ypositivos para los productos.


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8. Ir a la etiqueta Basis y establecer:

Todo lo anterior se conoce a partir de la ley de velocidad.

Las unidades para laley de velocidad (RateUnits) son gmole/L-s).

Las unidades de la presin(Basis Units) son kPa

Reaccin en fase vapor.

El Base Componentes el E-Benzene

Basis como PartialPressure


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9. En la etiqueta Parameters adicionar el factor pre-exponencial A (sin unidades) y la energa de activacin E conunidades de cal/mol (la cual es transformada a kJ/Kmoldespus de ingresarla).Dejar la celda Beta en blanco o colocar cero. Notar que no seingresa signo negativo en el factor pre-exponencial.


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10. Cerrar el visor de propiedades

11. Crear un set de reacciones para este caso (Add Set).

HYSYS provee el nombre Set 1 y abre la vista de lapropiedad Reaction Set.


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12. Para atribuir la Reaccin recin creada al Reaction Set, colocar el cursor enla celda bajo Active List. Despliegue la lista de las reacciones yseleccione el nombre de la Reaccin (Reaccion kinetic).

El Set Type corresponde al tipo de reaccin que usted ha aadido al ReactionSet. El mensaje de estado ahora exhibir a Ready.


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14. Para adjuntar el Reaction Set al Fluid Package(modelo termodinmico de Peng Robinson), resaltar aSet 1 en Reaction Sets y presiona el botn Add to FP.Cundo un Reaction Set determinado est adjuntadoa un Paquete de Fluido, se vuelve disponible para lasunidades de operacin dentro del Flowsheet usandoel Fluid Package particular.


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17. Ahora ingrese a la ventana de simulacin presionando elbotn Enter Simulation Environment...

18. Colocar el reactor PFR. Hay dos formas:

-De la paleta deObjetos

- Flowsheet (F12) / Add Operation/ Plug Flow Reactor


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19. Especificar la corriente de Entrada: Etilbenceno puro a raznde 152.2 gmol/s y a las condiciones de 880 K y 1.378 bar.

La barra inferior (roja) indica los siguientes errores Requires a

Set Reaction


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20. A continuacin adicionar el set 1 de reacciones haciendo clicen la etiqueta Reactions .

Y la barra inferior nos indica Unknown Dimensions


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21. Ir a la etiqueta Rating y especificar el volumen, en este caso elvolumen es 0.77 m3 y la Longitud 3.00 m


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22. Retornar a la etiqueta Design en la pgina Parameters yespecificar que este reactor no tiene cada de presin y es unreactor adiabtico. La barra inferior se torna Verde con la palabraOK


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23. Al Ingresar a la ventana de Simulacin tendremos el PDF delreactor PFR con las corrientes completamente especificadas.


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RESULTADOS

23.

Al ingresar al Workbook tenemos la composicin de lascorrientes.


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y luego en View UnitOp

Y luego clic en Plot..


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En la pestaa Parameters hay muchas opciones paragraficar el comportamiento de las variables con lalongitud del reactor

Seleccionar lavariable que

deseamosgraficar y loscomponentes


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CSTR

El CSTR calcula las condiciones de las corrientes

de salida del reactor considerando que est

perfectamente mezclado y que la concentracin en

cada punto del reactor es la misma.

Se puede emplear para reacciones en fase lquida o

gaseosa, pero debe especificarse.


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El modelo CSTR es un modelo algebrico estndar que haestado en los paquetes de simulacin por muchos aos.

Para especificar el reactor es necesario asociarle una o

varias reacciones y especificar:

Volumen del reactor

Nivel de lquido

Temperatura de salida de productos calor

transferido

Presin de salida de los productos la cada de

presin en su interior.La estequiometra de las reacciones

Los parmetros de la velocidad de reaccin de cada

reaccin.


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DIMENSIONAMIENTO

Se debe especificar por lo menos una de las siguientes medidas:volumen, dimetro o altura (altura se especifica en tanquehorizontales).

Notas

Si se especifica el volumen cilndrico del tanque entonces pordefecto la relacin Longitud / Dimetro del reactor CSTR es 3:2.

La altura del lquido en un tanque cilndrico vertical varia

linealmente con el volumen del lquido.

La relacin entre la altura y el volumen del lquido no es lineal entanques horizontales cilndricos y esfricos.


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C6 H5 C2 H5 C6 H5 CH = CH2 + H2

Ejercicio: se llevar a cabo la reaccin en fasevapor siguiente en un reactor CSTR adiabtico.

Las unidades para la ley de velocidad (RateUnits) son gmole/L-s).


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El reactor es un tanque cilndrico vertical de

volumen del reactor es de 5 m3

.No tiene prdidas de calor.No hay cada de presin.

El nivel de lquido en el tanque es del 50%.

Corriente Alimentacin

Temperatura 800C

Presin 506.6 atmFlujo molar 10 Kmol/h

Fraccin msica E-Benzene 1


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Solucin:


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7.2.2 REACTORES GENERALES

-Estos reactores trabajan con modelos de reacciones que no empleanparmetros cinticos.

-Los Reactores generales son fundamentalmente un separador de fases alque se le asocia un conjunto de reacciones.

-Este tipo de reactores se puede asociar con cualquiera de los modelos dereaccin presentados.

Para especificarlos es necesario asociarle una o varias reacciones e indicar:Volumen del recipiente

Nivel de lquidoTemperatura de salida de productos el calor que transfiere.Presin de salida de productos la cada de presin en su interior.


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- Hysys tiene cuatro tipos de reactores nocinticos que apareen en la paleta de objetosy que se despliegan de la opcin ReactoresGenerales:

Gibbs Reactor

Equilibrium Reactor

Conversion Reactor

Yield Shift Reactor


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REACTOR DE GIBBS

Los Reactores de Gibbs calcula la composicin de

equilibrio de la corriente de salida minimizando la

energa libre de Gibbs de la corriente de entrada.

Solo se requiere especificar la estequiometra.

Al minimizar la energa de Gibbs se producen la

reaccin ms probable. Este es un proceso

espontneo en la naturaleza.


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Con el Reactor de Gibbs se obtienen

resultados muy parecidos que con unReactor

de Equilibrio si se suministra informacincorrecta pero en el reactor de Gibbs no serequiere una expresin de Keq en funcin de

la temperatura. En este caso solo los reactivosreaccionan y no los productos (en la reaccininversa).

Los Reactores de Gibbs no requieren de un setde reacciones.

.


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Ejercicio: Lleve a cabo la

reaccin anterior en un reactorde Gibbs en las mismas

condiciones de operacin .


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REACTOR DE EQUILIBRIO

En los Reactores de Equilibrio se determina la

composicin de la corriente de salida

especificando la estequiometra de las reaccionesque ocurren y los valores de la constante de

equilibrio o su dependencia de la temperatura

para cada reaccin.


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Los Reactores de Equilibrio se puedeasociar nicamente con modelos de

reaccin de equilibrio.

Hysys tiene varias reacciones de equilibrio

en una lista con todos los parmetros

necesarios.


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REACTOR DE CONVERSIN

Este tipo de reactoresse puede asociar

nicamente con

modelos de reaccinde conversin.

Se debe especificar la estequiometra de todas

las reacciones que se lleven a cabo y laconversin del componente base, el Reactor deConversin calcula las composiciones de la

corriente de salida.


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Ejercicio: Lleve a cabo la

reaccin en fase vapor dedeshidrogenacin del

etilbenceno en un reactor deconversin, donde laconversin del etilbenceno esdel 80%.


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Yield Shift Reactor

Los reactores de rendimiento son para modelar

reactores usando tablas de datos para

desarrollar clculos. Esta unidad puede usarse

para reactores complejos que no tienen

disponible un modelo o los que existen son de

alto costo.

Reacciones Qumicas y Reactores en HYSYS


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Reacciones Qumicas y Reactores en HYSYS

Reactor en HYSYS Tipos de Reaccin

Conversion Reactor Conversin % (x%=C0 + C1T + C2T2)

PFR Simple Rate, Heterogeneous Catalytic, Kinetic

CSTR Simple Rate, Heterogeneous Catalytic, Kinetic

EquilibriumReactor

Keq=f(T); El equilibrio se basa en la estequiometra de lareaccin

Keq= Estimada a partir de la Energa Libre de GibbsKeq= Especificada como una constante o desde una

tabla de valores

Gibbs

Minimizacin de la Energa Libre de Gibbs de todos loscomponentes especificados. Hay dos opciones:1) No es requerida la estequiometra de la reaccin2) La estequiometra de la reaccin es dada


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Observe que segn el tipo de reactor las

especificaciones requeridas son diferentes.

Los reactores ideales (CSTR y PFR) requierenespecificar los parmetros de la ley de velocidad

y la estequiometria de las reacciones

Los Tanques, Separadores y las operaciones deseparacin de tres fases tambin pueden llevar a

cabo reacciones.

NOTAS:

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