REACTORES EN SERIE

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

2. ¿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.

3. 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.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES

5. VARIABLES CLAVES • Tiempo de retención • Volumen • Temperatura • Presión • Concentración de las especies química

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

7. TIPOS DE REACTORES Reactor BATCH Reactor PFR Reactor CSTR

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

9. 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). Laboratorio de operaciones del programa de Ingeniería Química de la Universidad de Cartagena.

10. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA • Productos deseados (PD) • Productos indeseados (PI) Textil Acetato de Sodio Cosmética Pinturas

11. 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.

12. 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.

13. 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

14. 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.

15. METODOLOGÍA 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

16. DISEÑO EXPERIMENTAL

17. 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.

18. 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.

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

21. 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 sofwareComsol 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

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

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

24. 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.

25. Degradación de un herbicida (isoproturon) Esquema del reactor acoplado fotoquímico-biológico a la escala de laboratorio construido en la EPFL.

27. Degradación de un colorante (AMBI) Esquema del reactor acoplado fotoquímico (solar)-biológico a la escala piloto construido en la EPFL.

28. 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.

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

30. 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.

31. 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.

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