TEMA 4: REACTORES PARA REACCIONES GAS-SOLIDO NO CATALITICAS. Tabla 4.1 Tipos y ejemplos de reacciones gas-sólido no catalíticas

Transcripción

1 TEMA 4: EACTOES PAA EACCIONES GAS-SOLIDO NO CATALITICAS Tabla 4.1 Tios y ejemlos de reacciones gas-sólido no caalíicas Tio Ejemlos SÓLIDO+GAS <=> SÓLIDO+GAS Fe O 3 + 3CO Fe + 3CO ZnS + 3 O 3 Fe + 4 H O CuS +3 O CuO + SO NiO + H Ni + H O SÓLIDO <=> SÓLIDO+GAS CO 3 Ca CaO + CO GAS+SÓLIDO <=> GAS C + O CO C + H O CO + H C+ H CH 4 Si + H SiH 4 SÓLIDO->SÓLIDO GAS+SOLIDO->SOLIDO+SOLIDO LIQUIDO+SOLIDO->LIQUIDO+SOLIDO ransformaciones aloróicas CaC + N CaCN + C ferilizanes suerfosfaos

2 egeneración caalizadores or combusión Alo horno Cemeno Tosación menas Tosación iria educción sulfao bario Combusión carbón Quemador de carbón en olvo Gasificación del carbón educción de la mena de hierro Manufacura de la cal a,b.c,g c e d f e a,g h a,g g g SÓLIDO FLUIDO LECHO FIJO DISCONTINUO FLUJO EN PISTON LECHO FLUIDIZADO MEZCLA PEFECTA INTEMEDIO FP-MP burbujas equeñas. LECHO MÓVIL FLUJO EN PISTÓN FLUJO EN PISTÓN

3 Fr u ρ SG G m = d g ρ ρ G velocidad de arrasre velocidad de mínima fluidización e d ρ u = μ G SG G u SG, velocidad de arrasre o mínima de fluidización Diseño deerminado or: Cinéica arículas aisladas Disribución de amaños Modelos de flujos de fases Modelos de conaco enre fases

4 4.1 EACTOES DE LECHO MOVIL Flujo en isón de sólidos con arículas de un sólo amaño y comosición uniforme del gas.

5 4.1. Flujo en isón de sólidos con arículas de amaños diferenes y comosición uniforme del gas. d d m F = F( d) =0 dm d = [( d)] 0 X 1 d =0 F F( ) d F( d) = [( d)] F d (τ) Flujo en isón de sólidos y comosición variable del gas. Para una esequiomería A(g) + b (s) roducos w dx o G AG G = ± bq dc + conracorriene - cocorriene (caudal molar) w q = consane o X = 0 cag = cag salida conracorriene X = 0 cag = cag enrada cocorriene w o cag = cag salida + X conracorriene bqg w c c X bq o AG = AG enrada - cocorriene G

6 Si la eaa conrolane es la difusión exerna y el flujo en conracorriene = X τ = ρ τ 3b GcAG k d = A ρldz w s d = τdx ρ 3b X z dx A ρl = dz G w k 0 o w 0 s AGs + c bq G X X bq c 3k w A G AGs G o L = 1 - ex z wo ρqg ws ρ 4. EACTOES DE LECHO FLUIDIZADO 4..1 Flujo de mezcla erfeca con arículas de un sólo amaño consane y comosición uniforme del gas. E MP ideal -/ = () Ed X 1 0 τ = () Ed 0 e = con = iemo medio de residencia del sólido

7 PELICULA GASEOSA EACCION QUIMICA DIFUSION EN LAS CENIZAS X τ - = (1 - e ) τ 3 1 τ 1 τ 1 τ τ = < 1 3! 4! 1 τ τ ara < 5 X 3 τ - = (1 - e ) τ τ τ 3 1 τ 1 τ 1 τ = > τ 1 τ ara > 5 4 τ τ 19 τ 41 τ τ = τ τ ara < 5 5

8

9 Lechos fluidizados de igual amaño conecados en serie en conaco con el mismo gas E() = 1 (N - 1)i i N-1 e -/ i donde ara cada eaa i = W or lecho F con la cual ara grandes valores de i /τ o alas conversiones y N= se obiene PELICULA GASEOSA EACCION QUIMICA DIFUSION EN LAS CENIZAS τ 1 τ 1 τ 1 τ = i i i i τ 1 τ 1 τ 1 τ = i i i 1680 i Para ese conrol es necesario realizar una inegración numérica. Sin embargo, comarando con el conrol de la reacción esa úlima da un esimado de la conversión conservaivo. 4.. Flujo de mezcla erfeca con arículas de diversos amaños y comosición uniforme del gas. F( d ) W( d ) = = ( d) F W W eso de odos los sólidos denro del reacor = ( d) = = F caudal de alimenación de sólidos

10 τ(d) 0 -/ e 1 - X (d ) = (1 - X (d )) d d F( d) = [1 - X( d)] F PELICULA GASEOSA 3 1 τ( d) 1 τ( d) 1 τ( d) F( d) = ! 3! 4! F EACCION QUIMICA 3 1 τ( d) 1 τ( d) 1 τ( d) F( d) = F DIFUSION EN LAS CENIZAS 1 τ( d) 19 τ( d) 41 τ( d) = τ( ) F( d) F 4 d

11 4..3 Lecho fluidizado con arrasre de finos F = F + F 0 1 F1( d) W( d) F0( d) = F1( d) + F( d) = F1 W W( d ) eso de arículas de amaño den el lecho ( ) caudales de arículas d enran o salen del lecho ( d) = = F0 d W( d ) 1 F1( d) + F( d) F1 F( d) + W W( d) = = Coeficiene velocidad eluriación, χ (d ) = F (d ) W(d ) τ(d ) /(d ) e ( d) = 1 - X ( d) d (d ) 0 d m F0( d) = [( d)] F0

12 PELICULA GASEOSA 3 1 τ( d) 1 τ( d) 1 τ( d) F0( d) = ! ( d) 3! ( d) 4! ( d) F0 EACCION QUIMICA 3 1 τ( d) 1 τ( d) 1 τ( d) F0( d) = ( d) 0 ( d) 10 ( d) F0 DIFUSION EN LAS CENIZAS 1 τ( d) 19 τ( d) 41 τ( d) 1 - = X ( d) 40 ( d) 460 ( d) 4 τ( d ) F0( d) ( ) F d 3 χ equeño - d grande - u o equeña - z grande χ grande - d equeña - u o grande - z equeña dw( d ) d - = χ W( ) d χ( d) = F( d) W( d) W( d ) 1 1 ( d) = = = 0( ) F1 F( d) F1 F d + + χ( d) W W( d) W

13 F1( d) W( d) = F1 W W W(d ) F(d o ) F(d o ) F(d o ) F F(d 1 1 ) W(d ) = = = F1 W W + χ(d ) 1 + χ(d ) 1 + χ(d ) W F F 1 1 F0( d) F1( d) = 1 + (W / F1) χ( d) F0( d) F1= F1( d) + F 1 1( d ) +... = 1 + (W / F1)χ( d) suoner F1 calcular F1( d) ara odos los amaños si la suma coincide con el valor suueso fin Comosición del gas variable. Si se considera que odo el gas fluye en forma de burbujas y esas según un modelo de flujo en isón y que el sólido esá erfecamene agiado, la concenración media del reacane en la fase gas es ara una cinéica de rimer orden la media logarímica enre la enrada y la salida: c Ag ( cag) e- ( cag) = ( cag) e ln ( c ) Ag s s Si se considera q g consane, un balance de maeria en odo el reacor ermie escribir q [( c ) - ( c ) ] = g Ag e Ag s w X b o

14 Además, ara arículas iene τ - e = (1 - X) d 0 W = w s del mismo amaño se siendo w S el caudal másico del sólido a la salida del reacor. El diseño del reacor se comlea incororando las siguienes ecuaciones. τ = τ(c,d,..)según eaa X AG = X (τ,,..)segúneaa wo= wsf (X ) W V = ρ εmf (1 - ε) Así, or ejemlo, si se conocen X y (c Ag ) e se deermina (c Ag ) s del balance y el valor medio c Ag, que ermie, a su vez, según cual sea la eaa conrolane de la cinéica el valor de τ. Con ése valor y con el de X, se deermina, cuyo valor conducirá finalmene a los valores de V y W.

15 4.3 EACTOES DE LECHO FIJO: OPEACION SEMICONTINUA δcag δc -u = r Aρb + ε dz d Ag = densidad del lecho de ariculas ρ b ε = fraccion de huecos del lecho u = velocidad suerficial en la direccion del flujo dn 4π k d k k A - = rn cag rn rn rn kg De o n arículas 3ε 3 3 = m lecho 4 π r ρ = rn 3 ε kcag A b rn k krn rn kg De

16 rn 3εs kcag δ Ag c δc -u = + ε δz r δ n k krn rn kg De Ag dr bm k c /ρ d k k n - = Ag b rn rn rn kg De cag = cago a z = 0 ara 0 rc = a = 0 ara z 0 X = 1-3 rn

17

18 4.4 EACTOES PAA EACCIONES INSTANTÁNEAS eacor disconinuo 4.4. eacor lecho móvil Gas y sólido en conracorriene y corriene cruzada