Reactores químicos

Introducción

Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, se habla de biorreactores. El diseño de un reactor químico requiere conocimientos de termodinámica, cinética química, transferencia de masa y energía, así como de mecánica de fluidos; balances de materia y energía son necesarios. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación, además en base a los parámetros de diseño se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones, por ejemplo un salto en escalón en la composición de entrada.

En esta investigación se describirá las reacciones continuas, discontinuas, en serie, en paralelo, catalizadas por catalizadores sólidos, se explicará cada tipo de reactores y sus reacciones en cada uno de ellos, los factores químicos que afectan la elección del reactor, rendimiento de la reacción, cristalización, eliminación del producto y optimización. Se describirá las características térmicas de cada uno de los reactores.

1.- Describiendo las reacciones

A1- Reactores continuo

El reactor continuo trabaja en régimen estacionario, donde los procesos de carga y descarga se realizan mediante corrientes de entrada y salida y no variando las propiedades del sistema a lo largo del proceso de reacción. Al no haber un instante inicial al que referir el resto del proceso, no suele hablarse de tiempo de reacción sino de tiempo espacial o de tiempo de residencia.

Suelen utilizarse para grandes producciones en las que la reacción presenta altas velocidades de reacción. Cualquier cambio en la alimentación o en el proceso tarda en ser asumido por el sistema, por lo que resultan poco versátiles, aunque el producto obtenido es muy homogéneo y el sistema en si mismo fácilmente automatizable.

Los costes de instalación y puesta en marcha suelen ser elevados, en contra de lo que sucede con los de operación que son bajos, por lo que repercuten poco en el precio final del producto.

Conversión fraccional: cociente entre el variación del caudal molar del reactivo limitante A¡ a la entrada y a la salida del reactor.

Balance del Reactivo limitante A¡

Tiempo Espacial

Conversión fraccional: cociente entre el variación del caudal molar del reactivo limitante A¡ a la entrada y a la salida del reactor

La conversión habrá que referirla al reactivo limitante. Existen los términos entrada, salida, generación y consumo, pero no el de acumulación.

Los términos generación y consumo no sufren variación con el tiempo.

Se habla de tiempo espacial o tiempo de residencia hidráulico y es el cociente entre el volumne del reactor y el caudal volúmico.

• FASES:

Gas; gas/líquido; gas/sólido; líquido; líquido/sólido.

• USOS:

Reacciones a gran escala, alta velocidad de reacción, alta temperatura.

• VENTAJAS:

Alta conversión por unidad de volumen, bajos costes de operación, buena transferencia de calor.

• DESVENTAJAS:

Gradientes de temperatura, necesidad de paradas de acondicionamiento.

• EJEMPLOS:

Altos hornos, digestores aerobios, oxidación NO.

A2- Reactores Discontinuo

Los reactores discontinuos se utilizan principalmente para determinar parámetros de la ley de velocidad para reacciones homogéneas. La determinación se realiza normalmente midiendo la concentración como función del tiempo y después se utiliza o el método diferencial o el integral de análisis de datos para determinar el orden de reacción, a, y la constante de velocidad, k. En algunas ocasiones se puede seguir también la evolución de algún parámetro de reacción, como por ejemplo la presión, y el balance molar se reescribirse en función de la variable medida (en este caso de la presión).

El reactor discontinuo trabaja siempre en régimen no estacionario, variando por ello las propiedades del sistema a lo largo del proceso de reacción.

Los términos de entrada y salida del reactor no se tienen en cuenta dado que el tiempo “CERO” del proceso es el momento de iniciarse la reacción (posterior a la etapa de carga), la cual transcurre hasta el momento en que se descarga el sistema, momento que suele aprovecharse para el acondicionamiento del sistema (limpieza, modificaciones, reparaciones, mantenimiento, etc.)

Son sistemas que trabajan por cicloscarga-reacción-descarga- acondicionamiento en los cálculos de duración del ciclo de producción hay que computar el tiempo de carga-descarga-acondicionamiento.

Suelen utilizarse para producciones pequeñas en las cuales la reacción presenta altos grados de conversión por unidad de volumen, flexibilidad de operación, pues pueden cambiarse las condiciones de un ciclo a otro lo cual provoca por el contrario una variabilidad de la calidad del producto obtenido.

Los costes de instalación y puesta en marcha suelen ser moderados, en contra de lo que sucede con los de operación que son altos.

CONDICIONES:

• [ ] y/o Tª constantes en el tiempo (régimen estacionario).

• Tiempo espacial o tiempo de residencia.

• Grandes volúmenes de producción.

• Flujos de entrada y salida.

VENTAJAS:

• Alta velocidad de reacción.

• Moderados costes por unidad de producto.

• Gran homogeneidad de producción.

• Fácilmente automatizables.

DESVENTAJAS:

• Altos costes de instalación.

• Poca versatilidad.

Conversión fraccional: cociente entre el variación del nº de moles de Ai y los moles que existían inicialmente del reactivo limitante

Balance del Reactivo Limitante A¡

Conversión fraccional: cociente entre el variación del nº de moles de Ai y los moles que existían inicialmente.

X¡=(n¡o-n¡)/n¡o = 1- n¡/n¡o

La conversión habrá que referirla al reactivo limitante. No existen los términos entrada y salida.

Los términos generación y consumo sufren variación con el tiempo

FASES:

gas; gas/líquido; gas/sólido; gas/líquido/sólido; líquido;

líquido/sólido.

USOS:

Producciones discontinuas, bajos volúmenes de

producción.

VENTAJAS:

Alta conversión por unidad de volumen, flexibilidad de

operación.

DESVENTAJAS:

Altos costes de operación, variabilidad de calidad.

EJEMPLOS:

Farmacoquímica, Química Fina, Fermentación.

B1.- Reacciones Paralelas o Simultánea

Son reacciones en las cuales un reactivo participa simultánea e independientemente en dos reacciones. Son rutas muy comunes en la industria química. Este tipo de reacciones está en competencia con las reacciones principales (indeseable).

A se consumirá igual que si participase en una única reacción donde k = k1 + k2

B2.- Reacciones Consecutivas o en Serie

Son reacciones en las cuales el producto de una de las etapas elementales es el reactante de la siguiente.

Es cuando una reacción es seguida por otra consecutiva (una después de la otra)

R------ P --------W

C2.- Reacciones catalizadas por catalizadores sólidos

Un catalizador propiamente dicho es una sustancia que está presente en una reacción química en contacto físico con los reactivos, y acelera, induce o propicia dicha reacción sin actuar en la misma.

De esta forma se dice que la reacción es "catalizada". Ejemplos de uso: reactores de producción de amoníaco, en donde se utilizan sustancias para acelerar y elevar el nivel de producción de NH3, sin que las mismas intervengan en las uniones atómicas pero que si estén presentes en la mezcla. En este caso el catalizador es un liquido, pero puede ser sólido o gaseoso.

Los metales nobles suelen usarse como catalizadores sólidos en numerosos procesos industriales.

La simple presencia de una porción del metal en la cuba de reacción produce resultados muy superiores y con altos rendimientos.

Utilizamos catalizadores sólidos metálicos para catalizar reacciones de los gases tóxicos antes de que salgan por el caño de escape del automotor. Los gases que debemos eliminar principalmente son el monóxido de carbono (CO), el óxido de nitrógeno (N2O3) y los hidrocarburos degradados

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