Transferencia de Calor en Reactores

Transferencia de Calor en Reactores
La transferencia de calor en reactores se relaciona con el término UA(Tm – T). El coeficiente
global de transferencia de calor U incluye los coeficientes individuales del lado del medio de
transferencia de calor (externo, ho) y del lado de la mezcla reactiva (interno, hi). Existen
correlaciones para determinar los coeficientes individuales para ambos lados. En el caso de hi,
para tanques agitados se propone:
 ρND 2I 
hiD

= 0.73
k
 µ 
0.65
 Cpµ 


 k 
0.33
 µb

 µw



0.24
Y es válido para la configuración estándar de agitador de turbina de seis aspas planas como se
ilustra en la figura:
Algunos comentarios generales de utilidad son:
• Los agitadores de turbina producen h’s aproximadamente 30% más altos que otros
tipos de agitador
• El valor de h en un tanque sin deflectores es del orden del 65% del de un tanque con
serpentín
• Se obtiene mejor transferencia de calor si el impulsor está más cerca del centro del
tanque que del fondo
• Los deflectores mejoran el valor de h en tanques agitados para Re mayores de 1,000
• En la región turbulenta, la potencia de agitación es proporcional a N3 y h a N2/3. Por lo
tanto la relación de h para agitadores con impulsores múltiples es proporcional a la
razón de potencias a la 0.22
Ingeniería de Reactores
91
M.A. Romero 2003
Ingeniería de Reactores
92
M.A. Romero 2003
Ingeniería de Reactores
93
M.A. Romero 2003
Ingeniería de Reactores
94
M.A. Romero 2003
El valor de ho se debe calcular de forma diferente si se trata de un serpentín o de una chaqueta de
transferencia de calor. En ambos casos se utiliza la correlación general de Sieder y Tate para
transferencia de calor en tubos, pero utilizando diámetros equivalentes tanto para ho como para
∆P. Existen tres tipos de chaquetas para transferencia de calor en tanques agitados:
•
•
•
Ingeniería de Reactores
Chaqueta convencional
Chaqueta de medios tubos
Chaqueta tipo dimple
95
M.A. Romero 2003
Chaqueta Convencional:
Ingeniería de Reactores
96
M.A. Romero 2003
Chaqueta de Medios Tubos o Medias Cañas:
Ingeniería de Reactores
97
M.A. Romero 2003
Chaqueta tipo “Dimple”:
Las tablas de correlaciones para tanques agitados y para chaquetas fueron tomadas de H. F. Rase,
“Chemical Reactor Design for Process Plants – vol. 1”, J. Wiley (1972).
Ingeniería de Reactores
98
M.A. Romero 2003
Determinación del volumen mínimo de un CSTR
La reacción C ↔ B se lleva a cabo en un CSTR. La reacción en ambas direcciones es de primer
orden. Las constantes k1 y k2 puede expresarse como :
k1= A1exp [ -E1/RT ]
k2= A2exp [ -E2/RT ]
Determinar el volumen mínimo que se requerirá para obtener una conversión xc.
alimentación consiste de C puro a un flujo volumétrico v0.
La
SOLUCION:
Para obtener el volumen mínimo se deriva V con respecto a T y se iguala a cero:
∂
[k 1 (1 − x C ) − k 2 x C ]
 −
∂V
∂ 
∂
T
=
=0
=

∂T ∂T  k 1 (1 − x C ) − k 2 x C 
[k 1 (1 − x C ) − k 2 x C ]2
[k 1 (1 − x C ) − k 2 x C ] = 0
Que es equivalente a obtener la velocidad de reacción máxima. Continuando con la derivación:
(1 − x C )
donde:
− E1 / RT
∂k 1 ∂A 1e
=
∂T
∂T
=−
−(
∂k 1
= xC
∂T
E1
A1
RT
)
E1
E
A 1e − E1 / RT = − x C 2 A 2
RT
RT
E2A2
e − E1 / RT
=
− E 2 / RT
(1 − x C ) E 1 A1
e
Definiendo B1 = xC/(1 − xC) y B2 = E2A2/E1A1:
E 2 − E1
= ln(B1 B 2 )
Ajustando la definición de B1 es posible encontrar T óptima para otras reacciones:
2C ↔ B
Ingeniería de Reactores
A+C↔B
99
M.A. Romero 2003