Diseño de reactores electroquímicos
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Descripción:
El diseño de reactores electroquímicos es un aspecto clave en la ingeniería electroquímica que tiene como objetivo maximizar la eficiencia y la productividad de los procesos electroquímicos. Estos reactores se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como la producción de energía en celdas de combustible, la electrorefinación de metales y la síntesis de productos químicos.
El diseño de un reactor electroquímico depende de varios factores, como el tipo de reacción electroquímica, la cinética de la reacción, los materiales de los electrodos y los electrolitos utilizados. Hay diferentes tipos de reactores electroquímicos, siendo los más comunes los reactores de flujo continuo y los reactores de lotes.
En un reactor de flujo continuo, la solución electroquímica se alimenta de manera continua al reactor, y se logra una alta eficiencia debido a la capacidad de controlar las condiciones de operación y mantener un flujo constante de reactantes. Este tipo de reactor es ampliamente utilizado en aplicaciones industriales y se puede escalar para satisfacer las demandas de producción a gran escala.
Por otro lado, en un reactor de lotes, la reacción electroquímica se lleva a cabo en un volumen finito de solución, y se realizan múltiples ciclos de carga y descarga de los electrodos. Este tipo de reactor es más adecuado para experimentos a pequeña escala y desarrollo de procesos, ya que permite un mayor control sobre las condiciones de reacción.
Al diseñar un reactor electroquímico, es fundamental considerar aspectos como la distribución del flujo de corriente en los electrodos, la selección adecuada de materiales de electrodos que sean estables y catalíticos, y el diseño de sistemas de control de temperatura y presión. Además, la optimización del diseño del reactor puede incluir la elección de geometrías adecuadas para los electrodos, la optimización de la relación entre el área superficial y el volumen del reactor, y el uso de técnicas avanzadas de electrodeposición para mejorar la uniformidad y la selectividad de los productos.
Formulas:
Parámetros de materia
grado de conversión:
$$X_A = \left\{ \frac{N_{A0}-N_A}{N_{A0}} \:\:\:\: \text{Reactor Contínuo}\right.$$
$$X_A = \left\{ \frac{F_{A0}-F_A}{F_{A0}} \:\:\:\: \text{Reactor Discontínuo}\right.$$
grado de extensión:
$$\xi_j = \frac{N_j-N_{j0}}{v_j}$$
rendimiento:
1. del proceso reactivo
$$\Phi P_1 = \left\{ \frac{N_{P_1}}{vP_1 [NA_0 - N_A]} \:\:\:\: \text{r.disc}\right.$$
$$\Phi P_1 = \left\{ \frac{F_{P_1}}{vP_1 [F_{A0} - F_A]} \:\:\:\: \text{r.cont}\right.$$
2. de operación
$$\Theta P_1 = \left\{ \frac{N_{P_1}}{vP_1 \cdot N_A} \:\:\:\: \text{r.disc}\right.$$
$$\Theta P_1 = \left\{ \frac{F_{P_1}}{vP_1 \cdot F_A} \:\:\:\: \text{r.cont}\right.$$
$$X_A = \Theta_{P1}/ \Phi_{P1}$$
selectividad:
$$SP_1 = \left\{ \frac{N_{P_1}/v_{P_1}}{\sum^s_{j=1}N_{P_j}/v_{P_j}} \:\:\:\: \text{r.disc}\right.$$
$$SP_1 = \left\{ \frac{F_{P_1}/v_{P_1}}{\sum^s_{j=1}F_{P_j}/v_{P_j}} \:\:\:\: \text{r.cont}\right.$$
Parámetros de corriente
Eficacia de la corriente o rendimiento farádico:
$$\phi = \frac{Q_{p_1}}{Q_{tot}}$$
Voltaje de celda:
$$E_{cel}=E_{cat}^{o}-E_{and}^{o}-|\eta_{cat}|-|\eta_{and}|-I \cdot R_{cel}-I \cdot R_{circ}$$
$$R_{cel}=R_{cel(cat)}+R_{cel(and)}+R_{cel(sep)}$$
Parámetros de energía
Rendimiento de la energía eléctrica
$$\centerdot \: \text{referido a } \nabla G$$
$$\gamma G = \frac{\nabla G_{cel \cdot \phi}}{E_{cel}nF} = \frac{(E^o_{cat}-E^o_{and}) \cdot \phi}{E_{cel}}$$
$$\centerdot \: \text{referido a } \nabla H$$
$$\gamma H = \frac{\nabla H_{cel \cdot \phi}}{E_{cel}nF}$$
Parámetros de superficie y volumen
Superficie específica del electrodo:
$$a_e = \frac{A_e}{V_R}$$
Tiempo de residencia:
$$\tau = \frac{V_R}{Q_v}$$
Velocidad espacial:
$$s=\frac{1}{\tau}$$
Coef. tansf. materia:
$$k_m = \frac{i_L}{nFc_a}$$
Rendimiento específico:
$$\rho_e = \frac{1}{V_R} \cdot \frac{dm_{P_1}}{dt} = \frac{i \cdot a_e \cdot M_{P_1} \cdot \phi P_1}{nF}$$
Notación:
α = coeficiente de transferencia de materia
ae = área específica del electrodo
Ae = área del electrodo
c = concentración
cA = concentración de A en el seno del fluido
δ = espesor de la capa de difusión de Nerst
η = sobretensión electroqúımica. η := E − Eeq
E◦ = potencial estándar de reducción
E = campo eléctrico
e = carga del electrón: e = 1,602176 · 10−19C
φ = potencial
F = constante de Faraday = 96485,309 C/mol
hj = entalpía específica de la especie j
K = constante termodinámica de equilibrio
L = 1. Conductancia, 2. Longitud
M = peso molecular
VJ = coeficiente estequiométrico de la especie j
n = número de electrones implicados
i = densidad de corriente
iO = densidad de corriente de intercambio
iL = densidad de corriente límite
I = intensidad de corriente límite
IL = intensidad de corriente límite
k = conductividad de la disolución
kD,kI = constantes cinéticas directa e inversa
ko = constante cinética estándar
λo = conductividad iónica molar
λj = conductividad iónica molar de especie j
Λm = conductividad molar. Λm = κ/c
L = conductancia
Qv = Caudal volumétrico
Q* = calor intercambiado a través de las paredes
t = número de transferencia o número de transporte
t+,t_ = número de transporte de los cationes/aniones
tc = tiempo crítico
u = movilidad iónica.
u' = movilidad iónica absoluta
S = Sección del reactor
z = carga (en unidades e)
?P1 = algo referido al producto P1
?k = referido al componente clave
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