El Reactor Químico Y La Reacción Química

En la actualidad los procesos químico-industriales se han de proyectar para obtener económicamente un determinado producto, a partir de diferentes materias primas, que se someten a etapas diferentes de tratamiento como:

Etapas de tratamiento físico para ponerlas en la forma en que pueden reaccionar químicamente, y a continuación pasan al reactor. Los productos de reacción han de someterse después a nuevos tratamientos físicos (separaciones, purificaciones, etc.) para obtener el producto deseado.

En efecto la transformación de unos productos en otros de mayor utilidad tiene lugar a través de transferencia de calor y materia dependiente de la termodinámica, cinética y mecanismos de la propia reacción química.

Un reactor químico es un aparato que proporciona un espacio, aislado de los alrededores, donde la reacción química puede tener lugar en condiciones deseadas de temperatura, presión y concentración.

Las reacciones químicas como se realizan en condiciones industriales son casi siempre complejas. En un sistema de reactor existirá la reacción principal, o deseada, junto con una o mas reacciones secundarias. Las reacciones secundarias producen subproductos indeseables y reducen así el rendimiento de la reacción.

La corriente producto del reactor debe tratarse de modo que se separe y se verifique la materia prima que no ha reaccionado y el producto deseado. La materia prima no reaccionada puede recircularse al reactor, el producto deseado se procesa posteriormente, y el subproducto no deseado se recupera y se dispone del mismo de alguna manera.

Una reacción química tiene diversas variables importantes:

La cinética de las reacciones. La velocidad con que los productos químicos reaccionan es la característica más importante para seleccionar un reactor. Las velocidades de las diversas reacciones dependen normalmente fuertemente de la temperatura y de la composición.

La velocidad de reacción se define formalmente como el cambio de numero de moles de un componente con respecto al tiempo, por unidad de volumen de mezcla reaccionante. Esta cantidad es negativa cuando es reaccionante y positiva cuando se trata de un producto.

La velocidad de reacción se escribe normalmente en la forma:

r=kC_A^a C_B^b y k=Ae^(-E/RT)

Se conocen muchas formas diferentes de la reacción general. Un análisis matemático exacto es normalmente bastante complejo y, con frecuencia, estos análisis se restringen a formas más sencillas. En muchos casos existe poca diferencia con la forma exacta utilizada, y un análisis sencillo es normalmente suficiente.

Con objeto de determinar las constantes A y E en la ecuación para k es necesario tener dato de velocidad de reacción para dos o mas temperaturas. Estos se disponen raramente, y cuando existen, con frecuencia es difícil saber el mecanismo exacto de la reacción. Como consecuencia no es frecuente que un conocimiento preciso de A y E exista. Para muchos casos de selección de reactores químicos no es necesario este conocimiento. Sin embargo, es muy bueno disponer de datos de velocidad de reacción para dos o más temperaturas.

El efecto calorífico de la reacción. Casi todas las reacciones químicas tienen un efecto calorífico. Con frecuencia, este efecto calorífico es importante y un reactor debe diseñarse de modo que suministre o acepte calor. El producto de la velocidad de reacción y el efecto calorífico de la reacción es una característica de la reacción de gran importancia debido a que este valor determina el tamaño y la forma del área de transmisión de calor asociada con el reactor.

La naturaleza corrosiva de los materiales reaccionantes. Obviamente esto determina el tipo de material de construcción del reactor, y esto a su vez, tiene un efecto importante en el diseño y coste del reactor.

Respecto a esto, en la construcción de los reactores se emplean técnicas diversas. Para presiones muy elevadas se utilizan tanto la foja y el laminado como el torno y la autógena. A temperaturas elevadas, a veces se necesitan revestimientos aislantes para reducir la temperatura de la armadura metálica y permitir así el empleo de paredes mas finas. También pueden enfriarse las paredes por circulación de la carga fría a través de un espacio anular, o bien por enfriamiento externo. El enfriamiento es necesario a veces para hacer mínima la corrosión; así en la preparación de cloruros metálicos a temperaturas elevadas, los reactores están aislados con un espesor considerable de material cerámico; pero como hay siempre la posibilidad de fugas, es conveniente enfriar también las paredes de acero hasta temperaturas inferiores a 320 0C por medio de chorros externos de aire; de otro modo, el acero puede quemarse por acción del cloro.

El valor económico relativo de los reactantes, productos y subproductos.

Reactores ideales.

Hablaremos en breve de estos tres tipos de reactores, ya que estos son relativamente fáciles de estudiar, a la vez que suelen representar el mejor modo de poner en contacto los reactantes, sin que importen las condiciones de operación. Por estas razones se tratan de diseñar los reactores reales de tal manera que sus flujos se aproximen a los de estos modelos ideales.

REACTOR DISCONTINUO. Los reactantes se introducen en el reactor se mezclan, se deja que reaccionen un tiempo determinado, y finalmente se descarga la mezcla resultante. Es esta operación de tipo estacionaria en la que la composición va variando con el tiempo, aunque en cada instante es uniforme en todos los puntos del reactor.

REACTOR DE TIPO FLUJO EN PISTON. También se conoce como reactor de flujo de tapón, de flujo tubular ideal, y de flujo uniforme; por lo general se le denomina reactor de flujo en pistón y a su modelo de flujo se le designa por flujo en pistón.

Se caracteriza por que el flujo del fluido a través de él es ordenado, sin que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después de aquel; en realidad, en este reactor puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca ha de existir mezcla o difusión a lo largo de la trayectoria del flujo.

La condición necesaria y suficiente para que exista flujo en pistón es que el tiempo de residencia en el reactor sea el mismo para todos los elementos del fluido.

REACTOR DE MEZCLA COMPLETA. Llamado también reactor de retro mezclado, reactor ideal de tanque con agitación, o reactor CFSTR (Constant Flow Stirred Tank Reactor), y como su nombre lo indica, es el reactor en el que su contenido esta perfectamente agitado, y su composición en cada instante

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