Alexandra Guevara Toro Alejandra Armero Mutis Andrea Cardona Rúales REACTORES EN SERIE Alexandra Guevara Toro Alejandra Armero Mutis Andrea Cardona Rúales Corporación Universitaria Autónoma del Cauca Ingeniería Ambiental y Sanitaria Procesos Unitarios

¿QUE ES UN REACTOR? Es el equipo capaz de desarrollar una reacción química en su interior.  En su interior ocurre un cambio debido a la reacción química y están diseñados para maximizar la conversión y selectividad de la reacción con el menor costo, tiempo, y mayor eficiencia posibles. ALEXA El diseño de un reactor químico requiere conocimientos de termodinámica, cinética química, transferencia de masa y energía, así como de mecánica de fluidos; balances de materia y energía son necesarios. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación, además en base a los parámetros de diseño se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones, por ejemplo un salto en escalón en la composición de entrada.

FUNCIONES PRINCIPALES DE LOS REACTORES Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción. ALEXA Si la reacción química es catalizada por el organismo que la contiene o por una enzima purificada, hablamos de biorreactores. Un biorreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para hacer crecer células o tejidos en operaciones de cultivo celula, En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) al elemento que se cultiva.

CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES (ALEJA) Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes: Los reactores ideales son aquellos en que el tiempo de residencia es igual para todos los elementos (lo cual solo es rigurosamente cierto para reactores discontinuos). En los reactores reales existe una dispersión de tiempos de permanencia; este fenómeno ocurre en todos los sistemas continuos (tubulares y tanques agitados), aunque pueden hacerse aproximaciones teóricas considerándolos ideales (reactores de flujo de pistón, y de mezcla completa); sin embargo, excepto en los primeros, siempre existen tiempos de residencia diferentes del fluido a lo largo de los caminos de flujo en el reactor, aunque en los últimos con una distribución estadística perfectamente determinada).

VARIABLES CLAVES Tiempo de retención Volumen Temperatura Presión Concentración de las especies química ALEJA

TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS EN REACTORES HOMOGÉNEAS ENDOTERMICAS HETEROGENEAS TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS EN REACTORES EXOTERMICA ENZIMATICAS ANDREA AUTOCATALITICAS CATALITICAS NO CATALITICAS

TIPOS DE REACTORES Reactor BATCH Reactor PFR Reactor CSTR ANDREA Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes: a) REACTOR DISCONTINUO o Tipo Bach. Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino mas bien, al inicio del proceso se introducen los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no convertidos. También es conocido como reactor tipo Batch. b) Un reactor PFR: Es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios en la concentración, la presión y la temperatura, en la dirección axial. La conversión que se alcanza en un reactor depende del volumen, el tiempo espacial y la velocidad de reacción en el reactor, además del flujo y la concentración del alimento. Estos factores están relacionados en la ecuación de diseño propia de este tipo de reactor. c) Un reactor CSTR: es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus propiedades son uniformes en todo el interior del reactor.

USO DE REACTORES EN SERIE SIMULACIÓN FLUJO IDEAL IGUAL TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA REACTORES MAS ANCHOS QUE LARGOS ANDREA

ESTUDIO 1 PROCESO DE SIMULACIÓN MEDIANTE EL SOFTWARE COMSOL, DE TRES REACTORES DE AGITACIÓN CONTINUA (CSTR) EN SERIE, PARA LA REACCIÓN DE SAPONIFICACIÓN DEL ACETATO DE ETILO CON HIDRÓXIDO DE SODIO (NAOH), PARA OBTENER ACETATO DE SODIO (CH3COONA) Y ETANOL (C2H5OH). ALEJA laboratorio de operaciones del programa de Ingeniería Química de la Universidad de Cartagena, Laboratorio de operaciones del programa de Ingeniería Química de la Universidad de Cartagena.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Productos deseados (PD) Productos indeseados (PI) Textil Acetato de Sodio Cosmética Pinturas Cosmética planteamiento del problema Textil Combustibles Pinturas

OBJETIVO Estudiar la reacción de saponificación del acetato de etilo en tres reactores CSTR en serie a escala de laboratorio para su posterior simulación con el software COMSOL Multiphysics.

SAPONIFICACION La saponificación del acetato de etilo es una reacción de hidrólisis catalizada por base. Esta reacción general para ésteres, se refiere a la separación del mismo en un alcohol y el conjugado básico del éster en mención. El mecanismo de la reacción de saponificación entre el acetato de etilo y el hidróxido de sodio, para producir acetato de sodio y etanol, es el siguiente: Figura1. Mecanismo de reacción entre el acetato de etilo y el hidróxido de sodio.

ECUACIONES QUE DESCRIBEN EL SISTEMA CSTR EN SERIE Volumen un CSTR en un sistema de “n” reactores en serie: Balance molar: Flujo de salida del reactivo limite

SOFTWARE COMSOL Es un software que utiliza el método de análisis para el modelado y simulación de problemas científicos y de ingeniería basados en ecuaciones diferenciales de derivadas parciales, especificando su física, problemas, y luego la visualización de los resultados.

Se realizó la saponificación del acetato de etilo (EtOAc) con hidróxido de sodio (NaOH), para producir acetato de sodio (NaAc) y etanol. Luego se realizaron los experimentos dejando fijas la temperatura de alimentación (TA). Figura 2. Variables que intervienen en el proceso METODOLOGÍA Figura 2. Variables que intervienen en el proceso

DISEÑO EXPERIMENTAL Debido al costo de experimentación y las limitaciones de tiempo en los procesos, se deben realizar solo las pruebas imprescindibles. El método tradicional de variar solo un factor a la vez no sería el más apropiado, ya que requeriría más experimentos de los necesarios y, además no mostraría si hay interacción entre factores. Para obtener resultados significativos, se procedió a realizar un diseño experimental, aplicando la técnica de “Diseño factorial de dos niveles 2k”, donde el “2” significa número de niveles y la “k” el numero de factores o parámetros a variar. En este caso es 23(dos niveles, tres factores), para el cálculo de los efectos y el concepto de interacción entre factores

FACTORES VARIADOS Se realizaron ocho simulaciones en total, para determinar las condiciones que arrojaran la mejor conversión y un menor tiempo de estabilización de la reacción. Se realizaron ocho simulaciones en total, para determinar las condiciones que arrojaran la mejor conversion y un menor tiempo de estabilizacion de la reaccion

DIAGRAMA DE FLUJO DEL EQUIPO Se midió la conductividad de la solución a la salida del tercer reactor cada cinco segundos, hasta que se observó que la conductividad permanecía constante; además, se midió el tiempo desde el inicio de la reacción hasta su estabilización.

ETAPAS PARA LA SIMULACIÓN EN COMSOL 1. Selección del modelo 2. Geometría 3. Añadir física: reacciones químicas 4. Selección de estudio: dependencia del tiempo

ANALISIS - Se obtuvo mayor conversión de las reacciones en los reactores en serie CSTR debido a que la corriente de fluye de un reactor a otro, disminuyendo la concentración de aquellas productos indeseados que mas adelante tienen que recibir un tratamiento, el cual ocasionaría perdidas económicas, productos de menor calidad y perdida de producción. - La función de colocarse estos reactores en serie nos permite que las moléculas que no han podido reaccionar en el primer reactor debido a que se presenta flujo continuo, pueda reaccionar en alguno de los siguientes reactores. - El sofware Comsol brinda la facilidad de identificar que fallas se pueden estar presentando y como mejorar la reacción química dentro de los reactores CSTR, siendo las mejores condiciones para este caso: V= 10 lt/h; Co, ACOEt = 70 mol /m³; Co, NAOH = 1 mol/m³ Con 83% de eficiencia

ESTUDIO 2 DESARROLLO DE PROCESOS FOTOQUIMICOS Y BIOLOGICOS ACOPLADOS COMO UNA ALTERNATIVA NATURAL PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS O NATURALES ANDREA Seminario internacional sobre métodos naturales para el tratamiento de aguas residuales

Esquema Conceptual de acoplamiento entre las tecnologías de Fotocatálisis (solar) y de tratamiento biológico

RESULTADOS Y DISCUSION Estrategia general para el acople de reactores fotoquímicos y biológicos. La estrategia comprende los siguientes puntos: Caracterización del agua contaminada. Selección y optimización del proceso fotoquímico mas adaptado. Selección y optimización del proceso biológico mas apropiado. Desarrollo, optimización y aplicación del sistema acoplado fotoquímico-biológico.

Degradación de un herbicida (isoproturon) Photochemical reactor = reactor fotoquimico Reactor biológico Lamp = lampara pO2 probe = sonda de pO2 Sampling = muestreo bacteria on biolite = bacterias en biolite Recirculation = recirculación sampling = muestreo mixing vessel = recipiente de mezcla conditionning recipient = acondicionamiento destinatario Wastewater = aguas residuales recirculation = recirculacion H2O2 = peroxido de hidrogeno pH regulation = regulacion del pH Fe = Hierro nutrients = nutrientes NaOH = Hidroxido de sodio HCl = acido clorhidrico NaOH = Hidroxido de sodio process controller = controlador de proceso effluent = efluente Esquema del reactor acoplado fotoquímico-biológico a la escala de laboratorio construido en la EPFL.

Degradación de un colorante (AMBI) Reactor solar reactor biologico Compoudn parabolic concentrator = concentrador parabolico compuesto influent = influente Pyrex tubes = Tubos de pyrex pH meter / controller = medidor de pH / controlador. Plastic connections = conexiones de plastico pH. Sampling valve = valvula de muestreo conditioning container = recipiente acondicionado Recirculating tank = tanque de recirculacion blower = soplador Pump = bomba fixed bed reactor = reactor de lecho fijo Influent = influente purge = purga Purge = purga decanter = decantador effluent = efluente Esquema del reactor acoplado fotoquímico (solar)-biológico a la escala piloto construido en la EPFL.

CONCLUSION Los resultados corroboran la eficiencia de los procesos fotoquímicos para destruir los contaminantes químicos no biodegradables, aumentando la calidad del agua. Los experimentos de campo bajo luz solar directa demostraron que el tratamiento solar es efectivo para la purificación del agua contaminada con un colorante industrial (AMBI) y que la completa mineralización de aguas no-biodegradables con un sistema acoplado a escala piloto es posible.

ESTUDIO 3 ANÁLISIS TEÓRICO Y EXPERIMENTAL DE CSTR EN SERIE EN COMPARACIÓN CON PFR. ALEXA

Figura 2: Curvas de trazadores para una, dos, tres, cuatro, cinco y seis CSTR en serie. Cada serie de CSTR tiene el mismo volumen total y la misma masa total de trazador añadido.

Figura 7: 6 CSTR en serie: Q (caudal), 1-6 (concentración de trazador en CSTR de 1 a 6), V (volumen de cada CSTR). En este ideal tanque 6 CSTR, todos los reactores tienen el mismo volumen V.

Figura 8: Las curvas de modelado trazadores de CSTR en serie en las mismas condiciones de nuestros experimentos (velocidad de flujo, volumen CSTR).