viernes, 15 de abril de 2016

TIPOS DE REACTORES QUÍMICOS CON SUS CARACTERÍSTICAS



Primero empezaremos definiendo que es un REACTOR; el cual se lo puede describir como un dispositivo donde ocurre un cambio en su composición debido a la reacción química. Por lo tanto cualquier recipiente donde ocurre una reacción química puede considerarse un reactor. La dificultad en ingeniería de reactores es realizar un diseño conveniente; razón por la cual existen diferentes tipos de reactores.


En este apartado les mostraré 8 diferentes tipos de reactores con sus características principales y ventajas y desventajas respectivamente.

1.-Reactor Batch




CARACTERÍSTICAS: 
Sistema cerrado
Estado no estacionario
Se cargan los reactivos al inicio, se retiran los productos al final

VENTAJAS:
Operación sencilla
Bajo costo inicial

DESVENTAJAS

*Tiene la desventaja de un elevado costo en su funcionamiento y de mano de obra debido a la gran cantidad de tiempo que se pasa parado debido a la carga, descarga y limpieza.
*Además no siempre es posible implementar un sistema de control adecuado.


2.-REACTOR PFR O TUBULAR



CARACTERÍSTICAS:
Sistema cerrado
Estado no estacionario
Se cargan los reactivos al inicio, se retiran los productos al final

DESVENTAJAS:
Bajos tiempos de residencia
Para cada flujo hay un tiempo de residencia diferente

USOS:
Gases y vapores
Alta producción
Intercambio de calor
Reactores heterogéneos catalíticos

 3.-REACTOR CSTR O TANQUE AGITADO 


CARACTERÍSTICAS:
Sistema abierto
Estado estacionario
Reactivos y productos entran y salen  constantemente 
VENTAJAS:
Bajo costo de operación
Continuos
Fácil control
Temperatura constante

DESVENTAJAS:
No permite altos tiempos de residencia
Poco eficiente frente a una PFR

4.-REACTOR SEMI BATCH O SEMICONTINUO


CARACTERÍSTICAS:
*Sistema cerrado
Estado no estacionario
VENTAJAS:
Semi continuo
Buen control de temperatura
Puede mantener baja la concentración de un reactivo
DESVENTAJAS:
Baja producción
Altos costos de operación 

5.-REACTOR DE LECHO EMPACADO




CARACTERÍSTICAS:
  • La regeneración del catalizador requiere del uso de gases; Es común usar un sistema de re-circulación a fin de aumentar la eficiencia de re-activación.
  • Es en estado estacionario.

DESVENTAJAS:
*Este sistema presenta dificultades en el control de temperatura debido a la formación de zonas calientes y frías en el interior del lecho.
*No se puede usar un tamaño de catalizador pequeño debido a la formación de tapones y caídas de presión.

6.-REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO




CARACTERÍSTICAS:
  • El flujo es complejo, no es bien conocido, solo se puede estimar de forma aproximada los mecanismos de transferencia de masa, desde el punto de vista de transferencia el contacto no es muy eficiente debido a la diferencia de varias barreras físicas, esto obliga a usar una mayor cantidad de catalizador.
VENTAJAS:
  • El control de temperatura se realiza de forma más fácil, comparado con el reactor de lecho empacado.
  • La reactivación del catalizador en caso de ser necesaria es más fácil y eficiente debido a la fluidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador.
  • Este tipo de flujo es adecuado para partículas de tamaño pequeño, ideal para reacciones rápidas en donde se necesita una área de contacto grande.


7.- REACTOR ISOTÉRMICOS



CARACTERÍSTICAS:
Mezcla uniforme (X, Conc, T Uniforme)
Operación no estacionaria ( las condiciones cambian con el tiempo). 
Sistema cerrado.
Existe intercambio de calor entre el sistema reaccionante y su entorno

VENTAJAS:
Es sencillo e ideal para estudios a escala experimental.

8.-REACTOR HETEROGÉNEOS


CARACTERÍSTICAS:

*Su naturaleza obedece leyes cinéticas diferentes, 
*La diferencia radica en el número de fases físicas involucradas, los mecanismos de transferencia tanto de calor como de energía son más complejos debido a que están presentes más de un mecanismo, 

DESVENTAJA:
 Por su complejidad los balances de materia y energía son más complejos, pudiendo ser de naturaleza conectiva o conductiva.
 

martes, 12 de abril de 2016

Ley de Raoult- Henry y Presiones parciales

* Ley de Raoult



 La ley fue enunciada en 1882 por el químico francés Francois Marie Raoult (1830-1901). 
Esta ley establece que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individual y de la fracción molar de cada componente en la solución. 

Y señala que: 

 "Si un soluto tiene una presión de vapor medible, la presión de vapor de su disolución siempre es menor que la del disolvente puro."

 Definiéndolo de esa manera la relación entre la presión de vapor de la solución y la presión de vapor del disolvente depende de la concentración del soluto en la disolución. Entonces tendríamos:
Es decir que la presión de vapor del soluto crece linealmente con su fracción molar. En una solución que sólo contenga un soluto, se tiene que X1= 1 – X2, donde X2 es la fracción molar del soluto, pudiendo escribir la formulación de la ley como:

P_1 = \left( 1- X_2\right)  P^o_1
P^o_1 - P_1 = \Delta P = X_2  P^o_1

Se puede ver de esta forma que una disminución en la presión de vapor, \Delta P es directamente proporcional a la concentración del soluto presente.

Sí la solución tiene presiones de vapor parciales que sigan esta ecuación, se dice que dicha solución sigue la ley de Raoult y se comporta de manera ideal. Las soluciones reales se ajustan a la ley de Raoult cuanto más diluida es la solución. Es decir todas las soluciones reales se comportan idealmente cuando la concentración de los solutos se aproxima a cero. 

Una vez que los componentes de la solución han alcanzado el equilibrio químico, la presión total del vapor es:
\ P_{solucion}= (P_{1})_{puro} X_1 + (P_{2})_{puro} X_2 +\cdots
y la presión individual de los componentes gaseosos es
\ P_{i}=(P_{i})_{puro} X_i
donde
  • (Pi)puro es la presión de vapor del componente puro
  • Xi es la fracción molar del componente en solución
Consecuentemente, a medida que el número de componentes gaseosos de la solución crece, la fracción molar y la presión en la solución de cada uno de ellos va decreciendo. Si se tuviera un soluto puro, tendiendo a infinito número de solutos, se alcanzaría el valor nulo de presión de vapor (es decir el cuerpo no se evaporaría). En este caso la presión de vapor de la disolución sería igual a la suma de las presiones parciales de cada componente (Ley de las presiones parciales o ley de Dalton).

Aplicación
Se cumple sólo para disoluciones ideales no obstante es una buena aproximación cualitativa.
Disoluciones ideales
Para que se cumpla al 100% la ley de Raoult es necesario que el líquido sea una disolución ideal, el vapor sea una mezcla de gases ideales y que la fugacidad del líquido no varie significativamente con la presión, esta última condición a veces se expresa como que el factor de corrección de poynting sea de valor 1.
En equilibrio líquido-vapor, la relación que se comporta según la idealidad de la ley de Raoult seria la siguiente:
 P_T   Y_1   =   X_1   P^o_1
donde:
 P_T  = presión total del sistema en equilibrio
 Y_1  = composición en la fase vapor, compuesto 1
 X_1  = composición en la fase líquida, compuesto 1
 P^o_1  = presión de vapor, compuesto 1

 * La ley de Henry 

Esta ley se define con lo siguiente:
 "A temperatura constante y a saturación, la cantidad de gas disuelta en un líquido es proporcional a la presión ejercida por el gas en contacto con el líquido."

Una forma de comprender bien esta Ley es "el ejemplo de la botella de gaseosa":
 *La botella sin destapar tiene burbujas en su interior, parece agua pero sabemos que lleva CO 2 en su interior, sin embargo no se ve, esto es debido a que el gas por efecto de la presión a la que ha sido sometido durante el llenado se ha diluido en el líquido hasta alcanzar el estado de equilibrio. Al destapar la botella, la presión disminuye por efecto de la Ley de Henry y la cantidad de gas disuelto también disminuye, el gas sobrante es liberado en forma de burbujas.


De manera matemática,  (La cual es una forma de plantear la ley de Henry, pero no la más útil).

Cuando una persona entra en la CHIPER, su organismo se encuentra en un estado de saturación en el ambiente atmosférico, que es el habitual. Una vez iniciada la presurización, se crea un desequilibrio, lo cual obliga al líquido y a los tejidos a aumentar la tasa de gas en busca de un nuevo estado de equilibrio (saturación).
Una vez el gas está disuelto en el líquido, experimentará una presión (P) hacia el gas sin disolver, que se conoce con el nombre de tensión (T), dependiendo de los valores de la presión y de la tensión habrá lugar a tres estados de disolución: 

*Si P > T Estado de Subsaturación 
En el estado de subsaturación, el líquido absorbe más gas, debido a que la presión del gas es mayor que la tensión del gas en el líquido, que en el paciente es el momento del comienzo de la presurización.
*Si P = T Estado de equilibrio o Saturación 
En el estado de saturación, el líquido ya no puede absorber más gas a esa presión, debido a que la presión del gas es igual a la tensión de dicho gas en el seno del líquido; es la base del buceo a saturación. 
*Si P < T Estado de Sobresaturación 
 En el estado de sobresaturación, el líquido elimina gas porque la presión del gas es menor que la tensión del gas en el seno del líquido, que en el buceador y en el paciente se da en el momento del ascenso.

*DETERMINACIÓN DE PPM EN FASES LÍQUIDAS*

ppm significa partes por millón, es decir, los mg (miligramos) que hay en un kg de disolución; como la densidad del agua es 1, 1 kg de solución tiene un volumen de aproximadamente 1 litro, los ppm son también los mg de una sustancia en un litro
Expresado de otra forma: mg/l 
(Siguiendo el mismo razonamiento, los ppm también son los gramos que contiene cada metro cúbico, g/m3)
Para calcular los ppm se divide el peso en mg por el volumen el litros.
Por ejemplo, una disolución de 15 gramos (g) en 3 metros cúbicos de agua:
15 g x 1000 mg/g = 15000 mg
3 m3 x 1000 l/m3 = 3000 l
Concentración: 15000 / 3000 = 5 mg/l = 5 ppm


*DETERMINACIÓN DE PPM EN FASES SÓLIDA*

Partes por millón (abreviado como ppm) es la unidad empleada usualmente para valorar la presencia de elementos en pequeñas cantidades (traza) en una mezcla. Generalmente suele referirse a porcentajes en peso en el caso de sólidos y en volumen en el caso de gases (caso del ppm utilizado en calidad del aire). 
Así, 5 ppm de CO equivale a decir que existen 5 unidades de volumen de CO por cada millón de unidades de volumen de aire. Por ejemplo, 5 ppm de CO serían 5 litros de CO en cada millón de litros de aire.
De forma análoga, para transformar N ppm de un gas a mg/m3 en determinadas condiciones de Presión y Temperatura, se realiza con:

Nppm x M/V(atm.T) = mg/m3


* Presiones Parciales 
En 1801 John Dalton postulo “ los componentes de una mezcla gaseosa parecieran ejercer presión sobre las paredes del recipiente en el cual estaban confinados de manera independiente unos de otros”.

La ley de las presiones parciales de DALTON establece que la presión total que un gas ejerce una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los gases individuales.

La ley de las presiones parciales de Dalton se cumple en la mayoría de las mezclas gaseosas siempre y cuando los gases no reaccionen

PT  =  P1 + P3  +  P3  + ……… + P n



La presión parcial de un gas ideal en una mezcla es igual a la presión que ejercería en caso de ocupar él solo el mismo volumen a la misma temperatura. Esto sucede porque las moléculas de un gas ideal están tan alejadas unas de otras que no interactúan entre ellas. La mayoría de los gases reales se acerca bastante a este modelo.
Como consecuencia de esto, la presión total, es decir la suma de todas estas presiones, de una mezcla en equilibrio es igual a la suma de las presiones parciales de los gases presentes. Por ejemplo, para la reacción dada:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
La presión total es igual a la suma de las presiones parciales individuales de los gases que forman la mezcla:
P = P_{{\mathrm{N}}_2} + P_{{\mathrm{H}}_2} + P_{{\mathrm{NH}}_3}
Donde P es la presión total de la mezcla y Px denota la presión parcial de x.
Para calcular la presión parcial de un gas basta con multiplicar su fracción molar por la presión total de la mezcla. Es decir:
P_A = {X_A} {P_T}
Si se disminuye el volumen del recipiente, la presión total de los gases aumenta. Por ser la reacción reversible, la posición de equilibrio se mueve hacia el lado de la reacción con un menor número de moles (en este caso, el producto del lado derecho). Por el Principio de Le Châtelier, esto sería como aumentar la fracción de la presión completa disponible a los productos, y disminuir la fracción disponible a los reactivos (porque hay más moles de reactivo que de producto). Varía la composición de los gases, por lo que aumenta la presencia de amoníaco. De forma similar, un cambio en la temperatura del sistema propicia la producción de reactivos (porque la reacción inversa es endotérmica).
La presión parcial de un gas es proporcional a su fracción molar, lo que es una medida de concentración. Esto quiere decir que se puede hallar la constante de equilibrio para una reacción en equilibrio que involucre una mezcla de gases a partir de la presión parcial de cada uno y la fórmula química de la reacción. La constante de equilibrio para los gases se denota como KP. Para una reacción:
aA + bB ↔ cC + dD
Así, la constante de equilibrio KP se puede calcular con,
K_P = \frac{P_C^c P_D^d} {P_A^a  P_B^b}
Aunque la composición de los gases varía cuando se comprime el recipiente, el equilibrio permanece invariante (asumiendo que la temperatura permanezca también constante).

Fase líquida frente a fase gaseosa


La presión parcial en un fluido es igual a la del gas con el que el fluido está en equilibrio.
Cuando se expone un líquido a un gas, las moléculas del gas se disolverán en el líquido.

viernes, 8 de abril de 2016

REACTORES INDUSTRIALES MAPAS CONCEPTUALES

TIPOS DE REACTORES INDUSTRIALES



Guayaquil, 7 de abril del 2016.

REACTORES INDUSTRIALES


En este presente espacio se puede ver una distribución de los diferentes tipos de reactores industriales que hay. Y cómo son debidamente clasificados ya sea por su geometría, tipo de flujo, catalizador, etc.

Y especialmente se profundizará en los reactores de:

*Tubo ascendente
*Lecho empacado
*Reactores que son para reacciones en fase líquida y en fase gaseosa

Al darle clic al vínculo de abajo podrán apreciar la información respectiva mencionada anteriormente.



MAPA CONCEPTUAL TIPO DE REACTORES

jueves, 31 de marzo de 2016

CINÉTICA DE LAS REACCIONES

Guayaquil, 31 de abril del 2016.


Definición formal de velocidad de reacción
Si se considera una reacción química típica:
aA + bB → pP + qQ
Las letras minúsculas (a, b, p, y q) representan los coeficientes estequiométricos, mientras que las letras mayúsculas representan a los reactivos (A y B) y los productos (P y Q).La velocidad instantánea de reacción v (también r o R) de una reacción química que se da en un sistema cerrado bajo condiciones de volumen constante, sin que haya acumulación de intermediarios de reacción, está definida por:

Para cualquier sistema en general, debe tomarse en cuenta el balance de masas completo: ENTRANTE - SALIENTE + GENERACIÓN = ACUMULACIÓN.

Cuando se aplica al caso más simple señalado previamente, esta ecuación se reduce a:

Cuando se forman productos laterales o intermediarios de reacción se recomienda el uso de los términos velocidad de aparición y velocidad de desaparición para los productos y reactantes, respectivamente.
Ecuación de velocidad
Para una reacción química n A + m B → C + D, la ecuación de velocidad o ley de reacción es una expresión matemática usada en cinética química que relaciona la velocidad de una reacción con la concentración de cada reactante. Es del tipo:
Ejemplos
Para la reacción

La ecuación de velocidad es:
La ecuación de velocidad no refiere simplemente los coeficientes estequiométricos de los reactantes en la reacción global: es de primer orden en H2, aunque el coeficiente estequiométrico es 2, y es de segundo orden en NO.
No todos los pasos afectan la velocidad de reacción; normalmente sólo el paso elemental más lento es el que afecta la velocidad de reacción. Por ejemplo, en:


Las reacciones 1 y 3 son muy rápidas comparadas con la segunda, por lo que es la reacción más lenta la que es reflejada en la ecuación de velocidad. El paso lento es considerado la etapa limitante de la velocidad. Los órdenes de la ecuación de velocidad son aquellos de la etapa limitante.

Eduportfolio.org | Ing de las Reacciones Qcas

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CINÉTICA DE LAS REACCIONES

Guayaquil, 30 de abril del 2016.

En este apartado empezaré definiendo conceptos claves para comprender la materia de ingeniería de las reacciones químicas y su importancia dentro del mundo profesional. 
En cuanto a que la cinética química comprende una área de la fisicoquímica que se encarga de la rapidez de la reacción, como cambia la rapidez de la reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se van a ir efectuando mediante una reacción general.

Reacción química: definida como una operación unitaria la cual su objetivo a seguir es distribuir de forma distinta los átomos de unas moléculas, es decir, compuestos reaccionantes o reactantes para la formación de productos.
El lugar donde se realizan las reacciones químicas es denominado REACTORES QUÍMICOS, los cuales los hay de diferentes tipos en la industria.
Las reacciones químicas pueden distinguirse en dos grupos:

HOMOGÉNEAS: Son aquellas que tienen una sola fase, en las cuales, se dan las condiciones de presión, temperatura y concentración constantes.

HETEROGÉNEAS: Son las que tienen más de una fase.
Por lo general en cada reacción química se obtiene el producto deseado y una impureza, definiéndolo así:

A à B + C

En donde, B es el producto deseado (producto que se vende) y C es una impureza resultante de la reacción, de lo cual se debe proceder a separar y purificar; con esto se producen costos de separación y purificación. Por lo tanto, los ingenieros deben ver la manera de maximizar el producto deseado optimizando recursos y cumpliendo así con los estimado de la producción.
Si hablamos de cinética de las reacciones, implica hablar sobre qué es la velocidad de la reacción, propiedad intrínseca, de la cual se puede definir de dos maneras:

·         Velocidad a la cual se logra un producto
·         Velocidad a las que se transforma un reactivo

ESPECIE QUÍMICA: Se refiere a cualquier elemento o compuesto químico con una identidad dada, en la cual se va a conocer la identidad por su composición, número de átomos, etc. Sabiendo que si cambian la configuración geométrica cambiarán las propiedades del elemento.

VARIABLES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
REACCIONES HOMOGÉNEAS:

·         Presión
·         Temperatura
·         Concentración

REACCIONES HETEROGÉNEAS:

·         Transferencia de masa y calor

DEFINICIÓN DE VELOCIDAD DE REACCIÓN

Aà B
r A =  dCA/dt
r B = k[A]
r A = -K [A]

De lo cual, para el caso de los reactivos tendrán el símbolo negativo debido a que se van consumiendo, mientras que será positivo para los productos, ya que estos se están produciendo.
Y el orden de la reacción es considerado experimentalmente mas no con los coeficientes estequiométricos, y éstos mismos pueden ser tanto número entero como fracción.
Hay 4 tipos de definiciones de velocidad de reacción:
















TIPOS DE REACCIONES (EJEMPLOS)

REACCIONES SIMPLES
Cuando el transcurso de la misma se puede representar por una sola ecuación estequiométrica y una sola ecuación cinética.

REACCIONES MÚLTIPLES
Reacciones con más de una ecuación cinética que describe su comportamiento. Combinación de dos tipos fundamentales, piezas básicas de esquemas más complicados:

*Reacciones en paralelo (competitivas):
Se las denomina reacciones competitivas, en la cual el reactivo se consume  en dos reacciones diferentes para formar productos diferentes.

à R
àS

*Reacciones en serie (consecutivas):
Son también denominadas reacciones consecutivas, el reactivo forma un producto intermedio, que posteriormente reacciona para producir un nuevo producto.

à R à S

*Reacciones Químicas en simultáneo:
Muchas veces las reacciones múltiplen suelen implicar la combinación de reacciones (serie y paralelo).

EJEMPLOS DE REACCIONES QUÍMICAS Y BIOQUÍMICAS DE REACCIONES MÚLTIPLES Y SUS DERIVADAS.