Diseño de un reactor de membrana para la reacción de esterificación de ácido tartárico con etanol. Parte 2: Cartas de diseño.

Transcripción

1 señ e un reactr e membrana para la reaccón e esterfcacón e ác tartárc cn etanl. Parte : artas e señ. Resumen lan er Pérez Ávla Unversa Nacnal e lmba See Manzales n el presente trabaj se aplca el mét e guías e señ para reactres e membrana, e m que se estua el mel el reactr para btener la mayr cnversón el sstema reactv a pr la esterfcacón el ác tartárc cn etanl. stas guías e señ evalúan el esempeñ el reactr en cuant a cnversón e ác tartárc e acuer a ferentes valres e s númers amensnales, y a. Realza ls cálculs se btene que las cnversnes más cercanas a la cnversón e equlbr el sstema se btene para lg() > y < lg(a) < 4, sn embarg valres mayres e a a., representan lngtues e sbreseñ en el reactr. Palabras clave: Reactr e membrana, esterfcacón, cartas e señ, permeabla, selectva.. ntruccón Las reaccnes e esterfcacón generalmente están lmtaas pr el equlbr termnámc y se enfrentan a rets cn la purfcacón el pruct [], puest que para btener alts renments se usa un gran exces e un e ls reactvs almentas, que n sl fculta la purfcacón, sn que tambén cnlleva a un mayr vlumen el reactr []. l cmpnente que cmúnmente es remv en las reaccnes e esterfcacón, es el agua, y la estlacón parece ser la técnca más aprpaa para cha remcón, sn embarg la frmacón e un azeótrp puee ser una lmtante para el señ e un prces efcente []. Utlzar tecnlgía e membrana para esta separacón, pría cnserarse una alternatva vála y vable. La eshratacón e una gran varea e cmpnentes rgáncs es realzaa pr pervapracón [3], y alreer e 33 plantas fuern nstalaas para mplementacón e esta técnca entre ls añs e 984 a 99 [4]. l us e un móul e pervapracón, puee ser una slucón para ls prblemas ya mencnas e las reaccnes e esterfcacón, n bstante, pría utlzarse una una ntensfcaa ne curra tant la reaccón cm la pervapracón, un reactr e membrana, y así smnur el espac que cupan ambs equps (reactr y pervaprar) en planta, btener mayres cnversnes y menres nversnes e captal [5]. Ls reactres e membrana pueen usarse para aumentar la cnversón cuan la reaccón es termnámcamente lmtaa y tambén para aumentar la selectva cuan curren reaccnes múltples [6].

2 n el presente trabaj se estua la reaccón e esterfcacón el ác tartárc (TaH ) cn el etanl (toh), ne se an s reaccnes btenénse cm pructs, el agua, el etl tartarat (TaHt) y el -etl tartarat (Tat ) cm se presenta a cntnuacón: TaH toh TaHt HO (Reaccón ) TaHt toh Tat HO (Reaccón ) m se bserva, es sstema reactv e estu, n sl sn reaccnes múltples, sn que tambén sn reaccnes e esterfcacón, que cm ya se mencnó, hace nteresante el us e un reactr e membrana, para hacer efcente el prces. Las especfcacnes e la membrana cn la cual se seña el reactr e membrana venen aas pr [7], ne sl permea el agua. Para el señ el reactr e membrana, se sgue la metlgía planteaa pr [8], ne se analzan la selectva y permeabla el prces, e acuer a un mel amensnalza el reactr e membrana, en funcón e s númers amensnales, clet () y amköhler (a), generánse unas cartas e señ que permten elegr la zna más cnvenente para el señ el reactr e membrana. l mel genera se resuelve numércamente y se analzan ls resultas btens.. Metlgía escrbr el mét. l sstema reactv se mela para un reactr e membrana tubular empaca cm se muestra en la fgura. gura. squema e un reactr e membrana tubular empaca pr el la el tub. aj el anterr esquema se realza un mel stérmc puest que el sstema reactv se a en fase líqua y a pesar e ser entérmc el calr e reaccón es baj cm se muestra en un estu prev el análss termnámc. La nmenclatura usaa para caa cmpnente en el mel matemátc se presenta en la tabla.

3 Tabla. Nmenclatura para ls cmpnentes el sstema reactv. Sustanca brevacón Símbl Ác tartárc TaH tanl toh tl tartarat TaHt gua H O -etl tartarat Tat Realzan un balance mlar sbre el element ferencal para el la el tub se btene: Z R R R J r () para el la e la craza: Z R J () Para la reaccón e estu se tene la sguente cnétca [7]: TaH toh TaHt HO K eq, M catk (3) k a HO TaHt toh Tat HO K eq, M catk (4) k l mel e flux a través se efne e manera smlar a [8], para la pervapracón: a HO J sat x P y P PP x y P (5) Se efne ls sguentes flujs amensnales: (6), (7),

4 Rerganzan las ecuacnes ( ) e frma amensnal para caa cmpnente se btene el sguente mel en el la el tub: a (8) a (9) a () a () a () para el la e la craza: (3) (4) (5) (6) (7) óne ls númers amensnales e y a se efnen cm sgue: L P P R, = vel. transprte vel. permeacón (8)

5 R R LM k, a = cat,, vel. reaccón vel. transprte (9) la cnétca amensnal: k () Keq, Ka k () Keq, Ka la lngtu amensnal el reactr: Z () L Para esarrllar las cartas e señ se resuelve smultáneamente las ecuacnes (8 7) y se calcula cnversón parten e la efncón cnvencnal., (3), Pasan a térmns e flujs amensnales se btene: (4),, e esta manera se realza una gráfca e s-cnversón e ls s númers amensnales ya efns, y a. sta grafca crrespne al cntrn e la gráfca e lg(), lg(a) y cnversón. 3. Resultas y análss Para el esarrll el mel se efne un rang el númer e clet -4 < < 4, y e amköhler < a < 4, calculánse las cnversnes a la sala el reactr e m que la carta e señ a 7 (cm trabaja [], para evtar camb e fase), se presenta en la fgura.

6 .8 nversón Lg (a) -4 - Lg () 4 gura. rva e s-cnversón. Se bserva que para valres mayres el númer e clet en cualquer rang el númer e amköhler, se btene la máxma cnversón e ác tartárc. n esta zna ne se an las mayres cnversnes n hay nfluenca e la velca e reaccón, per sí e la selectva e la membrana, y est es prque una canta e agua permea a través e la membrana hacen que al reaccón se esplace en el sent que se pruce el agua. m n se bservó nfluenca e la velca e reaccón, para efnr cuál valr e a es aprpa se ebe cncer el fluj e almentacón e agua, pues a está en funcón e este fluj y su relacón cn él es nversamente prprcnal. Para el esarrll el mel se tmarn ls sguentes valres e flujs. mpnente Tabla. lujs e almentacón al reactr. rmeabla [kg/(m h bar)],, [m 3 /h] [m 3 /h] Para un valr e = y e a =. se btuvern ls sguentes resultas en el reactr.

7 8 7.9 lujs amensnales, La e la craza TaH toh TaHt HO Tat nversón e TaH Lngtu amensnal.5 Lngtu amensnal gura 3. esempeñ el reactr para = y a =., a l larg el reactr. Se bserva en la fgura 3 entnces que para un valr e a =., se btene la cnversón eseaa para la lngtu el reactr, puest que el valr e a efne cha lngtu según la efncón mstraa en la ecuacón (9), sen una relacón rectamente prprcnal entre la lngtu y a. Para lngtues mayres, es ecr un valr mayr e a, ls perfles se esarrllan en una seccón muy pequeña el reactr quean este sbremensna. 4. nclusnes Las cartas señ en funcón e y a resulta ser una herramenta útl, para efnr las cncnes en que mejr puee esempeñarse el reactr e membrana. Se encntró que las mejres cncnes e señ para el reactr se ebe utlzar un valr e mayr a la una, y escg este valr e, es cnvenente utlzar un valr cercan e a a. para evtar sbre-mensnament sub-mensnament el reactr. RRNS [] Seng. Lm, yungg Park, Muhamma Sahm, There T. Tstss. esgn ssues f pervapratn membrane reactrs fr esterfcatn. hemcal ngneerng Scence 57 () [] J. T.. Keurentjes, G. H. R. Janssen, J. J. Grssen. The esterfcatn f ac tartarc wth ethanl: Knetcs an shftng the equlbrum by means f pervapratn. hemcal ngneerng Scence, Vl. 49, N. 4, pp , 994. [3] Rchar W. aker. Membrane Technlgy an applcatns. a. Wley (4).

8 [4] R.. Nble, S.. Stern. Membrane separatns technlgy: Prncples an applcatns. a. lsever (995). [5] J. ntalv lzate, M.. Gómez García. ntensfcacón e prcess utlzan tecnlgías e membrana. a. laneclr (). [6] H. Sctt gler. lements e ngenería e las reaccnes químcas. 4ª. arsn ucatn, Méxc (8). [7] amjan Nemec, Rbert Van Gemert. rfrmng sterfcatns by mbnng Hetergeneus atalyss an rvapratn n a batch Prcess. n. ng. hem. Res. 5, 44, [8] Wn Sek Mn, Seung n Park. esgn gue f a membrane fr a membrane reactr n terms f permeablty an selectvty. Jurnal f Membrane Scence 7 () 43-5.