Clasificacion de Los Reactores Quimicos

TECNOLÓGICO REACTORES QUIMICOS NACIONAL DE MÉXICO

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN

REACTORES QUIMICOS TEMA: CLASIFICACION DE LOS REACTORES QUIMICOS CATEDRATICO M.C CARLOS VALDIVIESO RODRIGUEZ EQUIPO 3 PRESENTAN: HERRERA MARTINEZ JOSE JAIME MARTINEZ VARGAS PALOMA JOSE JAIME HERRERA - PALOMA MARTINEZ MINATITLAN VER, 06 DE DICIEMBRE DEL 2017

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REACTORES QUIMICOS ÍNDICE TEMA NDICE INTRODUCCIÓN 1. Clasific Clasific ación de los reactores reactores químicos 1.1 Clasific ación de acuerdo al modo de operación 1.1.1 Reactor intermitente o discontinuo 1.1.1.1 Caso de aplicación 1.1.2 Reactor continuo 1.1.2.1 Caso de aplicación

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1.1.3 Reactor semicontunuo 1.1.3.1 caso de aplicación

1.2 Clasific ación de d e acuerdo acuerdo al grado de mezcla 1.2.1 Reactor mezcla completa o ideal 1.2.1.1 Modelos de flujo ideales 1.2.1.2 Reactor discontinuo ideal 1.2.1.3 Reactor continuo ideal agitado 1.2.1.4 Reactor tubular 1.2.1.5 Caso de aplicación 1.2.2 Reactor de mezcla real

1.3 Clasific ación de acuerdo a las fases presentes 1.3.1 Reactores homogéneos 1.3.1.1 Reactores tipo tanque agitado 1.3.1.2 Reactores tubulares 1.3.1.3 Caso de aplicación 1.3.2 Reactores heterogéneos 1.3.2.1 Reactores catalíticos 1.3.2.1.1 Reactor de lecho fijo 1.3.2.1.2 Reactor de lecho fluidizado 1.3.2.1.3 Reactor de lecho móvil 1.3.2.2 caso de aplicación

1.4 Clasific ación de acuerdo al régimen térmic o 1.4.1 Reactores isotérmicos 1.4.2

Reactores adiabáticos

2. Partes y func ionamiento de los equipos 2.1 reactores de tanque agitado 2.2 reactores de flujo pistón 2.2.1 diseño de quipo

COMENTARIOS BIBLIOGRAFIA

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JOSE JAIME HERRERA - PALOMA MARTINEZ

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REACTORES QUIMICOS INTRODUCCIÓN Todo proceso químico está dividido en u na serie de operaciones unitarias conectadas entre sí. Estas operaciones o etapas pueden ser físicas y/o químicas. Consecuentemente cualquier proceso puede esquematizarse de manera general de la siguiente forma:

Fig 1. Esquematización de las etapas de un proceso

La cinética y el diseño de reactores son fundamentales para la producción de casi todas las sustancias químicas industriales. La selección de un sistema de reacción que opere de la forma más segura y eficiente posible puede ser la clave del éxito o del fracaso económico de una planta química. Por ejemplo, si un sistema de reacción genera una gran cantidad de producto indeseable, la purificación y separación subsecuente del producto deseado podría hacer impráctico, desde el punto de vista económico. Las reacciones químicas a nivel industrial (procesos unitarios) son las operaciones que tienen por objeto red istribuir los átomos de las especies reactivas para formar los productos de la reacción.

Las transformaciones químicas clásicas incluyen todas las que involucran interacciones entre moléculas, aunque pueden extenderse a las provocadas por los catalizadores enzimáticos (bioquímicas), interacciones entre radiación y moléculas (fotoquímicas), y transferencias entre conductores electrónicos e iónicos (electroquímicas). Pueden distinguirse también los sistemas homogéneos y los heterogéneos (tales como los catalíticos, reacciones fluido-sólido y fluido-fluido).

Un reactor reactor químico es químico es una unidad de proceso diseñada para llevar a cabo una o varias reacciones químicas o procesos en los que unos reactivos se reactivos se convierten en unos productos. productos .


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REACTORES QUIMICOS Los reactores químicos tienen diferentes formas de clasificación, pero se clasifican típicamente según la dinámica del flujo, geometría, fases presentes y el régimen térmico. térmico.

De acuerdo con el primer criterio los sistemas pueden ser discontinuos o continuos, continuos , según que el proceso se realice por cargas o con flujo in interrumpido de alimentación y descarga. También existen reactores semicontinuos; que semicontinuos; que son una combinación de los dos anteriores.

De acuerdo a la geometría, geometría , los reactores se dividen en dos grandes tipos: agitados : recipientes en general cilíndricos, empleados para operaciones 1. Tanques agitados: discontinuas (batch) o continuas (CSTR) con mezcla. tubulares : normalmente cilindros alargados de gran lo ngitud relativa a su 2. Reactores tubulares: diámetro, empleados en operaciones continuas (TFR).

Las funciones de un reactor para que en su seno se lleven a cabo las reacciones químicas de un modo apropiado pueden resumirse en tres:

1. Proporcionar el tiempo de contacto necesario entre los reactivos, y catalizadores en su caso: el tiempo que permanece un elemento reaccionante en el reactor se denomina tiempo de residencia, residencia , parámetro que está determinado por la fluidodinámica del sistema, y por la posibilidad de mezcla o difusión; su conocimiento es determinante en el tamaño del reactor para una producción y conversión dadas, así como para prever diferencias en los productos obtenidos a causa de las distribuciones en los tiempos de residencia.

Los reactores ideales son aquellos en los que el tiempo de residencia es igual para todos los elementos (lo cual solo es rigurosamente cierto para reactores discontinuos).

En los reactores reales existe una dispersión de tiempos de permanencia; este fenó meno ocurre en todos los sistemas continuos (tubulares y tanques agitados), aunque pueden hacerse aproximaciones teóricas considerándolos ideales (reactores de flujo de pistón, y de mezcla completa); sin embargo, excepto en los primeros, siempre existen tiempos de


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REACTORES QUIMICOS residencia diferentes del fluido a lo largo de los caminos de flujo en el reactor, aunque en los últimos con una distribución estadística perfectamente determinada).

2. Facilitar la mezcla de las fases presentes en la reacción: la mezcla puede producirse de modo natural, provocada por la propia fluidodinámica del reactor como ocurre en las reacciones gaseosas, o bien se produce de forma forzada, con ayuda de agitación o mezcladores estáticos como ocurre normalmente en sistemas condensados.

Los reactores reactores homogéneos son aquellos donde los reactivos, inertes y/o catalizadores se hallan en la misma fase (líquido en reactores tipo tanque o fluido en los tubulares).

Los reactores heterogéneos involucran dos o más fases reactivas (gas -sólido, líquido-gas, sólido-líquido o líquido-líquido), de contacto en torres o reactores agitados.

Los reactivos o catalizadores sólidos que se utilizan en los reactores heterogéneos se disponen en forma de lechos: lechos: fijos (reposición discontinua), o lechos móviles y fluidizados (con posible transporte neumático y regeneración), a través de los cuales se mueve la fa se fluyente; también se emplean tanques de suspensión de lodos (agitados), emulsiones líquidas y borboteo de gases.

3. Suministrar o eliminar calor al sistema: la termodinámica nos proporciona la información necesaria respecto a la energía absorbida o desprendida durante la reacción, magnitud que debe conocerse para efectuar el diseño adecuado; en su caso, debe hacerse uso de los conocimientos sobre transmisión de calor, para el diseño de los dispositivos de calefacción o refrigeración.

Los reactores isotérmicos son aquellos donde la operación transcurre a temperatura constante, mientras que en los reactores adiabáticos lo que se restringe es todo intercambio de calor; cuando no existe ninguna de ambas r estricciones se habla en general de reactores reactores no iso térmicos , y en particular se llaman programados cuando se controla el intercambio térmico para producir una pauta definida de temperaturas.


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REACTORES QUIMICOS

1. CLASIFICACIÓN CLA SIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUÍMICOS QUÍMICOS

Los reactores químicos tienen diferentes formas de clasificarse, aunque todos los tipos de clasificación estén relacionadas. No se puede clasificar los reactores de una sola forma, ya que dentro de un mismo criterio, surgen otros que dan una nueva fo rma de clasificación, y así sucesivamente. Un ejemplo de ello es un reactor continuo de tanque agitado CSTR, este tipo de reactor puede pertenecer a la clasificación de modo de operación, ya que es continuo, puede pertenecer también a un reactor homogéneo pues puede solo estar presente en él una sola fase si se trata de solo líquidos, y también puede pertenecer a la clasificación de grado de mezcla como un reactor de mezcla real o ideal, ese mismo reactor también puede ser con un régimen isotérmico. Es por ello hemos considerado las clasificaciones más típicas que se pueden encontrar, tomando en cuenta que de cada una de ellas, puede haber una clasificación sucesiva.

Fig. 1 Clasificación Clasificación de los reactores químic químic os


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REACTORES QUIMICOS 1.1 CLASIFICACIO CLA SIFICACION N DE ACUERDO AL MODO DE OPERACIÓN OPERACIÓN

La clasificación más elemental de los reactores es aquella que tiene en cuenta el posible intercambio de materia entre el sistema y el exterior. Se distinguen así tres tipos de reactores:

a) Intermitentes Intermitentes o discont inuos b) Continuos c) Semicontinuos Semicontinuos o de flujo no estacionario. estacionario.

1.1.1 1.1 .1 Reactor Intermi Intermitent tente e También conocido como reactor por lotes, bacht o discontinuo. Durante su operación no existe intercambio de materia con el exterior. Se alimentan los reactantes de una vez, y cuando la reacción se ha efectuado se retira re tira todo el contenido del reactor. En este sistema la temperatura, presión y composición pueden variar a lo la rgo del tiempo de operación.

Fig 1.1 Reactor intermitente, por lotes, bacht o discontinuo, agitado.

1.1. 1. 1.1. 1.1 1 Caso de d e Aplic Ap licación ación En general, los reactores discontinuos se utilizan en la producción de pequeñas cantidades donde presentan las ventajas de una gran flexibilidad de operación y un bajo costo de instalación. Tal es el caso de la industria farmacéutica donde se producen pequeños volúmenes y los costos de venta de los productos pueden ser de altos. Otra cualidad por la que se aplica en este tipo de industria es que te permite la flexibilidad de produ cción, lo cual es muy útil, ya que en la industria farmacéutica hay diversidad de medicamentos y este tipo de reactor te permite la manufactura de diferentes productos.


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REACTORES QUIMICOS Los reactores discontinuos se usan a escala de laboratorio en investigaciones para determinar la cinética de reacciones.

FIG. 1.1.1 1.1.1.1 .1 Industr ia farmac éutica

1.1. 1. 1.2 2 Re Reactor actor Continu Continuo o En el reactor continuo la alimentación de los reactantes y la salida de los productos se hacen en forma ininterrumpida. ininterrumpida. Las variables del sistema (cuando el reactor alcanza el estado estacionario) son independientes del tiempo. Si el reactor es de forma tubular, la variable independiente es la longitud del mismo a lo largo de la cual pueden existir variaciones de temperatura, presión y composición. Los reactores continuos son ideales para fines industriales cuando han de tratarse grandes cantidades de sustancia y permiten obtener un b uen control de la calidad del producto.

Fig.1.2 Reactores continuos. Tanque agitado y flujo pistón.

1.1. 1. 1.2. 2.1 1 Caso de Apli Aplicación cación Este tipo de reactor se utiliza en las industrias con grandes volúmenes de producción , como en la refinación del petróleo, ya que su demanda es muy grande y por lo tanto su producción


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REACTORES QUIMICOS también lo es. Este tipo de reactor puede tener un costo de instalación más elevado que el discontinuo, pero por la producción que se tiene y la operación que requiere, su instalación es más conveniente.

Fig. 1.1.2.1 Industrias de refinación del petróleo

1.1. 1. 1.3 3 Reactor Reactor Se Semico mico ntin ntinuo uo Los reactores semicontinuos son sistemas más flexibles pero de más difícil análisis y operación que los anteriores; en ellos la velocidad de la reacción puede controlarse con una buena estrategia de agregado de los reactantes.

En el reactor semicontinuo, alguno de los reactantes o productos se alimenta o extrae continuamente mientras que el resto permanece en el reactor. Así, por ejemplo, cuando la reacción entre dos líquidos es muy exotérmica, se prefiere cargar con uno de ellos el rea ctor y, enseguida, adicionar lentamente el segundo reactivo.

Fig 1.3. Reactor semicontinuo


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REACTORES QUIMICOS 1.1. 1. 1.3. 3.1 1 Caso de Apli A plicación cación La aplicación de un reactor semicontinuo puede presentarse en la producción de hexametilentetramina, la cual ocurre por la reacción entre amoniaco y formaldehido, en donde se añade lenta y continuamente hidróxido de amonio al reactor que p reviamente ya ha sido cargado con formaldehido.

Otro caso de reactor semicontinuo se tiene en la cloracion de benceno líquido mediante cloro gaseoso para obtener monoclorobenceno, la corriente de cloro se adiciona continuamente al reactor cargado previamente con benceno, de manera que la concentración de dicho gas en el medio de reacción sea pequeña, con objeto de evitar la formación de productos policlorados.

FIG. 1.1.3.1 Cloración del benceno líquido


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REACTORES QUIMICOS 1.2 CLASIFICACION DE ACUERDO ACUERDO AL GRADO DE MEZCLA MEZCLA

En los reactores se pueden presentar dos tipos de mezclado, esto va d e acuerdo al reactor que sea utilizado y los flujos que entren al reactor. Es obvio pensar que lo que se requiere es una mezcla completa o ideal, pero no siempre ocurre de esta forma. Es por eso que se clasifican de la siguiente forma.

a) Ideal Ideal o Mezcla Mezcla comp leta b) Real

1.2.1 1.2 .1 Reactor de Mez Mezcl cla a Comp Completa leta o Ideal Ideal El modelo de flujo para la mezcla completa o ideal tiene dos extremos de mezcla que representan la máxima mezcla posible y la inexistencia de la misma y que constituyen los dos modelos de flujo ideales posibles.

1.2. 1. 2.1. 1.1 1 Modelos de flujo fl ujo ideales 1. Mezcl Mezcla a Perfect a En un sistema discontinuo : La mezcla del sistema es perfecta, muy buena, por lo que e n un instante dado la composición y temperatura te mperatura en el sistema son uniformes, pero variables con el tiempo.

FIG. 1.2.1. a) Sistema discontinuo

En un sistema continuo: La mezcla del sistema es perfecta con lo que las propiedades (concentración y temperatura) de cualquier punto del sistema son las mismas, y por tanto iguales a las de la corriente de salida.


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REACTORES QUIMICOS

FIG. 1.2.1 b) Sistema discontinuo

2. Flujo pistón En un sistema continuo: En el sistema no hay ningún tipo de mezcla en la dir ección del flujo, por lo que el fluido pasa sin mezclarse como si se moviera a lo largo del reactor impulsado por un pistón. Es decir, el perfil de velocidades es plano, lo cual sucede a números de Reynolds (Re) de tubo vacío relativamente altos. Puesto que hay mezcla completa en la dirección radial las propiedades del fluido en la sección son uniformes

FIG. 1.2.2 Sistema continuo flujo pistón

Un reactor se considera ideal si: ideal si: 

Los reactantes reactantes están mezclados a la entrada del reactor, es decir, el tiempo de mezcla es cero y todo el volumen es útil para la reacción.



No se forman agregados moleculares



Se sigue un modelo de flujo ideal.

Las condiciones para alcanzar el mezclado cercano al ideal son: 

Relación L/D



Velocidad de agitación



Viscosidad del fluido

Se definen tres tipos de reactores, combinando el modo de opera ción y los modelos ideales de flujo. En este tipo de reactores se realiza todo lo posible para tener mezcladas todas las corrientes.


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REACTORES QUIMICOS

Fig. 1.2.1 1.2.1 Tres tipos de reactores ideales. a) reactor dis conti nuo o BR b) reactor fluj o pi ston c) reactor d e tanque agitado

1.2. 1. 2.1. 1.2 2

Reactor Re actor Discont inuo Idea Ideall

En un reactor discontinuo ideal no hay entrada ni salida de reactante. Se supone además que el reactor está perfectamente agitado, esto es, que la composición es la misma en todos los puntos del reactor para un instante de tiempo dado. Un reactor tanque agitado discontinuo típico consta de un tanque con un agitador y de un sistema integral de calefacción / refrigeración. Su tamaño puede variar desde menos de 1 litro a más de 15.000 litros. Por lo general se fabrican en acero, acero inoxidable, vidrio revestido de acero, vidrio o aleaciones. Líquidos y sólidos suelen ser cargados a través de conexiones en la tapa del reactor. Los vapores y gases también se alimentan a través de conexiones en la parte superior. Este tipo se reactor es conocido también como reactor bacht o por lotes

Fig. 1.2.1. 1.2.1.1 1 Reactor Reactor bacht o por l otes


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REACTORES QUIMICOS 1.2. 1. 2.1. 1.3 3

Reactor Re actor Continu Continuo o Idea Ideall Agit Agitado ado

El reactor continúo ideal agitado o reactor de mezcla completa supone un flujo de alimentación y salida uniforme y una agitación perfecta, esto es, en todos los puntos del reactor la composición y propiedades físicas del fluido son iguales. Por esta misma razón la corriente de salida tiene la misma composición y propiedades que el fluido que se encuentra en el interior del reactor. Los reactores continuos tanque agitado CSTR se usan normalmente para llevar a cabo reacciones en fase líquida, tanto en el laboratorio como a escala industrial. Sin embargo, también se usa para llevar a cabo reacciones en fase gas sobre todo cuando son reacciones catalizadas por un sólido y para pa ra sistemas de reacción sólido -líquido-gas (S-L-G).

Fig. 1.2.1.2 Reactor de tanque agitado CSTR

1.2.1.4 Reactor Tubular Un Reactor tubulares un recipiente cilíndrico por el que circula el fluido de un u n extremo a otro sin mezclarse, siguiendo el modelo de un pistón en un cilindro; los elementos de fluido están el mismo tiempo en el interior y las p ropiedades son constantes en cada sección transversal, pero no longitudinal.


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REACTORES QUIMICOS

Fig.1.2.1.3 Fig.1.2.1.3 Reactor Reactor tub ular

El reactor tubular de flujo en pistón (RTFP) se caracteriza porque el flujo de fluido que p asa a través es ordenado, sin que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después de aquel, esto es, no hay mezcla en la dirección de flujo (dirección axial). Como consecuencia, todos los elementos de fluido tienen el mismo tiempo de residencia dentro del reactor.

Fig.1.2.1. Fig.1.2.1.3 3 a) Reactor Reactor t ubular Flujo Pistón

1.2. 1. 2.1. 1.5 5 Caso de Apli A plicación cación Los reactores ideales tienen diversas aplicaciones en sulfonaciones, nitraciones y polimerizaciones. Ejemplo de este tipo de reactores son, los reactores catalíticos en lecho fijo, reactores homogéneos en circulación turbulenta. Los reactores ideales, se aplican por eje mplo, en la producción de epoxi-resinas, donde se hace uso de un reactor tanque agitado en fase líquida, en el cual se lleva a cabo una reacción de polimerización exotérmica


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REACTORES QUIMICOS 1.2.2 1.2 .2 Reactor de Mez Mezcl cla a Real En los reactores reales existe una dispersión de tiempos de permanencia; este fenómeno ocurre en todos los sistemas continuos (tubulares y tanques agitados), aunque pueden hacerse aproximaciones teóricas considerándolos ideales (reactores de flujo de pistón, y de mezcla completa); sin embargo, excepto en los primeros, siempre existen tiempos de residencia diferentes del fluido a lo largo de los caminos de flujo en el reactor, aunque en los últimos con u na distribución estadística perfectamente determinada).

FIG. 1.2.2 1.2.2 Reactor Reactor tub ular (tambi én puede ser un reactor r eal)


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REACTORES QUIMICOS 1.3

CLASIFICACION DE ACUERDO A LAS L AS FASES FA SES PRESENTES PRESENTES

De acuerdo a la reacción o reacciones que se lleve a cabo dentro del reactor, serán las fases que estén presentes en el. Según el número y tipos de fases implicadas, las reacciones se consideran como: Reacciones homogéneas, homogéneas, las cuales transcurren solamente en una fase (normalmente entre gases o entre líquidos miscibles entre sí). Reacciones heterogéneas, estas heterogéneas, estas requieren, al menos, la presencia de más de una fase para transcurrir del modo en que lo hacen (normalmente, bifásicas, fluido-fluido o fluido-sólido). En ambos tipos puede influir la presencia de catalizadores, pero más frecuentemente en las reacciones heterogéneas. De este tipo de reacciones es que de obtiene la clasificación de reactores siguiente:

a) Reacto Reactores res homogéneos homo géneos b) Reacto Reactores res heterogéneos

1.3.1 1.3 .1 Reactor Reactores es Homog éneos

Los reactores homogéneos son aquellos donde los reactivos, inertes y/o catalizadores se hallan en la misma fase (líquido en reactores tipo tanque o fluido en los tubulares). Las reacciones homogéneas transcurren en una sola fase; se suelen diseñar los dispositivos para que su comportamiento se a cerque lo más posible a los modelos ideales de flujo: mezcla perfecta y flujo en pistón. Los reactores que mejor se ajustan a los modelos de flujo mencionados son los reactores tipo tanque agitado y los reactores tubulares.

1.3. 1. 3.1. 1.2 2

Reactor Re actores es Tipo Tanque Agit ado

Los Reactores Reactores Tipo Tanque Agit ado , son recipientes donde permanece la masa de l fluido reaccionante, perfectamente agitados para favorecer una buena mezcla. Este tipo de reactor permite operar de forma continua o discontinua en discontinua en un amplio rango de caudales, temperaturas y presiones.


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REACTORES QUIMICOS Reactores de este tipo son: 

Reacto Reacto r d e tanque agitado CSTR para proceso continuo



a gitamiento, para procesos discontinuos. Reactor bacht, que bacht, que también cuenta con agitamiento,

Fig.

1.3.1.1

Reactores

homogéneos tipo tanque agitado

1.3.1.2 Reactores Tubulares Reacto res Tubulares son tubos o haces de tubos, por los que circula la masa de fluido Los Reacto reaccionante sin mezclarse. Son sistemas continuos donde existe e xiste movimiento estacionario de alguno o todos los reactivos, en una dirección espacial, sin mezcla inducida de los elementos del fluido; el modo de flujo hace que, a diferencia de los tanques agitados, la composición varíe de forma continua en dicha dirección.

Se emplean fundamentalmente para reacciones en fase gas, aunque gas, aunque también con fluidos y sólidos. Los diseños concretos concretos presentan presentan múltiples variantes variantes. Reactores de este tipo son: Reactor Reactor Tubular de Fluj o Pistó n (RTFP) (RTFP)


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REACTORES QUIMICOS

FIG.1.3.1.2 Reactores Tubulares

1.3. 1. 3.1. 1.3 3

Caso Ca so de Apli Aplicació cació n

Un caso de aplicación de reactor homogéneo se presenta en el proceso de craqueo de nafta, el cual se lleva a cabo en un horno tubular en fase gas y homogéneo. Dentro del reactor van ocurriendo reacciones consecutivas endotérmicas, lo que debe ser considerado en el diseño ya que se necesita un calentamiento rápido al igual que enfriamiento.

Fig 1.3.1.2 1.3.1.2 Proceso de cr aqueo de naftas


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REACTORES QUIMICOS 1.3.2 1.3 .2 Reactor Reactores es He Hetero tero géneos Un reactor heterogéneo es aquel en el cual se hallan presentes dos o tres fases. Los reactantes y productos pueden hallarse en fase gas, líquido o sólido. Sin embargo, la fase sólida puede tener además otros papeles como por ejemplo el de catalizador, inerte para proporcionar la distribución de flujo de calor adecuada o incluso el de crear superficies adecuadas de transferencia de materia.

Los reactores heterogéneos involucran dos o más fases reactivas. Que pueden ser¨: Gas-sólido



Líquido-gas



Sólido-líquido



Líquido-líquido



Las cuales pueden estar en contacto en torres o reactores agitados. Los reactivos o catalizadores sólidos se disponen en fo rma de lechos. Que pueden ser: 

Fijos (reposición discontinua)



Móviles y fluidizados (con posible transporte neumático y regeneración)

A través de los lechos lechos se mueve la fase fluyente. fluyente . También se emplean tanques de suspensión de lodos (agitados), emulsiones líquidas y borboteo de gases. Los reactores heterogéneos (catalíticos heterogéneos (catalíticos o no) se caracterizan por la presencia de más de una fase, lo que hace del modo de contacto entre las fases el principal factor que se ha de considerar. Según el tipo de reacción que se lleve a cabo, pueden distinguirse dos grupos principales de reactores: 

Reactores gas-líquido , usándose generalmente como tales las torres de a bsorción, de platos o relleno, o diferentes contactores de burbujeo.



Reactores gas-sólido , entre los que destacan aquéllos en los que el sólido es un catalizador , catalizador , dispuesto en lecho fijo en el interior de una estructura tubular, o como un lecho fluidizado.


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REACTORES QUIMICOS

En la tabla siguiente puede apreciarse una clasificación elemental de reactores según las fases y el modo de operación, y se indica la frecuencia de utilización de estos reactores en la industria.

Tabla 1. 1. Clasificación elemental elemental de l os reactores según las fases, modo de operación y uti lización industrial

1.3.2. 1.3 .2.1 1

Reactores Reactor es Ca Catalíti talítico coss

Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica l a velocidad de una reacción química, interviniendo interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes resultantes de la misma.

Numerosos procesos de la industria química básica y secundaria, y de tratamiento de fracciones de petróleo emplean reactores con lecho de catalizador. Atendiendo a la disposición del lecho se distinguen rea ctores de lecho fijo, fluidizado y móvil

1.3.2.1. 1.3. 2.1.1 1 Reactor de Lech Lecho o Fijo En el reactor de le cho fijo las partículas están inmovilizadas, y por tanto en íntimo contacto unas con otras. Sus características principales son:

a) La reacción química se lleva a cabo en un sistema b) Los reactantes y productos se añaden y descargan c) Operan a régimen estable.


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REACTORES QUIMICOS d) La temperatura, presión y composición pueden variar con respecto al tiempo. Su funcionamiento consiste en que el fluido se mueve a través de los espacios que hay entre las partículas. Las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una de otras. Finalmente salen los productos formados o transformados por el efecto catalítico.

El uso de reactores de lecho fijo está muy extendido, tiene aplicaciones en la obtención de SO3 por el método Phillips, obtención de a moníaco, craqueo con vapor, etc)

FIG. 1.3.2.1.1 Reactor de lecho fijo

1.3.2.1. 1.3. 2.1.2 2 Reactor de Lech Lecho o Flui Fluidizado dizado En el reactor de lecho fluidizado las partículas están en suspensión, pero la velocidad del fluido no es suficiente para arrastrarlas. Los factores a tener en cuenta para decidir entre uno u otro son: el contacto sólido-fluido, el control de temperatura, e l tamaño de partícula a emplear (ligado íntimamente con la pérdida de presión permisible) y la manera de afrontar el problema de la regeneración si el catalizador sufre desactivación rápida.

FIG. 1.3.2.1.2 Reactor de lecho fluidizado


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REACTORES QUIMICOS Si un fluido en movimiento asciende a alta velocidad se alcanza un punto donde todas las partículas se encuentran suspendidas por el flujo ascendente de gas o líquido. En este punto la fuerza de fricción entre el fluido y las partículas se equilibra con el peso de éstas. Este estado se denomina de lecho en comienzo de fluidización. Pueden distinguirse cinco regímenes de flujo del gas-sólido: velo cidad mínima de fluidización 1. Lecho fluidizado a la velocidad

2. Lecho fluidizado burbujeante 3. Lecho fluidizado turbulento 4. Lecho fluidizado con fluidización rápida 5. Lecho fluidizado con transporte neumático

FIG. 2.1 Régimen de fluj o para gas-soli do

1.3.2.1. 1.3. 2.1.3 3 Reactor de Lech Lecho o Móvil En el reactor de lecho móvil el fluido arrastra las partículas de catalizador que conservan su posición relativa respecto las otras partículas. Es decir, el lecho es móvil respecto a las paredes del reactor. El lecho de sólidos puede moverse en co-corriente, contracorriente o en flujo cruzado respecto a la corriente de flu ido reactante, siendo deseable que ambas fases sigan el modelo de flujo en pistón. Estos reactores son adecuados para trabajar en régimen adiabático, en especial con reacciones endotérmicas. El mismo catalizador puede servir como agente calefactor (con el calor que retiene de la regeneración, o por calefacción directa o indirecta).


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REACTORES QUIMICOS Los reactores de lecho móvil tienen pocas aplicaciones catalíticas pero extremadamente importantes. Entre ellas, el craqueo catalítico del gasoil y el reformado catalítico de las gasolinas

FIG. 1.3.2.1.3 Reactor de lecho movil

En la práctica existen diversas maneras de poner en contacto las fases. Si se considera el sólido, éste puede estar en forma de lecho fijo o fijo o mantenerse en suspensión (sólido disperso), slurry. slurry . Los reactores tipo slurry son tanques agitados, lechos fluidizados, lechos móviles y columnas de borboteo. Si se analizan las diferentes aplicaciones industriales podemos clasificar siete grandes grupos de reactores cuyas principales características son:

a) Tanque agitado : son útiles para manejar líquidos viscosos y suspensiones. Se usa preferentemente para reacciones en las que se necesita que la razón liquido-gas sea grande para más bien reacciones exotérmicas, ya que la agitación facilita las transferencias de calor. La agitación también es favorable cuando es necesario mantener en suspensión un catalizador finamente dividido, este tipo de reactores se denominan slurry. Es un tipo de reactor muy usado en la industria ya sea en continuo o en discontinuo respecto al líquido.


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REACTORES QUIMICOS

FIG. 1.3.2 a) Reactor tipo Slurry

b) Columnas de relleno: este tipo de columnas se encuentran frecuentemente en la industria. Su construcción es simple y son versátiles, aunque en general menos que los tanques agitados, ya que fácilmente se pueden adaptar cambiando el relleno.

Eligiendo bien el relleno, entre multitud de ellos, ofrece la posibilidad de soportar la corrosión, así como evitar inundaciones. Los reactores suelen operar en dos reg ímenes distintos: trickle cuando la fase gas es continua y la líquida discreta y el de borboteo (bubble) cuando la fase gas está dispersa y la líquida continua.

FIG. FIG. 1.3.2 1.3.2 b) Reactor ti po Burbuj a o de Borboteo


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REACTORES QUIMICOS Reacto r de goteo (tri (tri ckl e bed): bed): este tipo de reactores ha adquirido mucha importancia c) Reacto debido

a

su

aplicación

en

los

procesos

del

petróleo

(hidrodesulfuración,

hidrocracking,entre otros). En este tipo de columnas el gas es la fase continua, el líquido disperso circula a través del lecho de catalizador en forma de película, gotas o canales (rivulets). Generalmente gas y líquido se mueven en co-corriente y sólo só lo ocasionalmente en contracorriente.

FIG. 1.3.2 c) Reactor tipo Trickle

lluvia (spray column): en estos reactores el líquido es la fase dispersa y d) Columna de lluvia (spray se obtienen grandes áreas interfaciales. Este tipo es el más sencillo para los sistemas L-L. Dependiendo de si la fase dispersa es más ligera o más pesada que la fase continua se introduce por la base o por la cabeza de la columna. El diámetro del orificio la geometría y la velocidad del distribuidor de la fase dispersa determina el tamaño de las gotas y por tanto el área interfacial. Se usa para reacciones F-F rápidas que requieren tiempos de contacto cortos.

e) Columnas de borboteo slur ry: en la versión original de este tipo de reactor el líquido está estacionario, el sólido es suspendido por efectos de la turbulencia inducida por las burbujas de gas, el cual se alimenta a limenta de forma continua por el fondo del reactor. A veces, si la velocidad y po r tanto la turbulencia es insuficiente para mantener la suspensión de proceder a reciclar parcialmente el gas. En la actualidad e l líquido se introduce en forma de corriente que se mueve muy mu y lentamente, pero ello contribuye muy poco a la mezcla. En este tipo de reactores la mezcla es menos vigorosa que en los tanques agitados.


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REACTORES QUIMICOS f) Columnas de platos: se usan para sistemas G-L en los que no interviene ningún sólido y se necesitan grandes tiempos de contacto. Permite manejar grandes variaciones en el caudal de líquido y gas, incluso para caudales de gas altos e inusualmente bajos de líquido.

g) Varios: Existen otros tipos de reactores que son menos comunes que se utilizan con finalidades muy específicas. 

Reacto Reacto r tipo Ventur Ventur i : se usa para sistemas F-F, p.ej. eliminación de SO2 de humos, y su ventaja reside en la baja pérdida de presión ya que se agota el gas en el líquido.

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Reactor de película o paredes mojadas: útil para reacciones muy exotérmicas y además el hecho de tener un área interfacial perfectamente definida permite controlar muy bien las reacciones muy rápidas.

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Lechos móviles: móviles : En los lechos móviles las partículas de catalizador fluyen por gravedad y conservan su posición una respecto a otra. Es decir el lecho es móvil respecto a las paredes del reactor.

1.3. 1. 3.2. 2.2 2 Casos Casos de Apl icació n En la actualidad, los reactores heterogéneos se pueden encontrar en múltiples aplicaciones como la producción de productos y combustibles derivados del petróleo, en la producción de especialidades químicas, farmacéuticas, herbicidas y pesticidas, en el ref ino de menas, la producción de polímeros y en el tratamiento de la contaminación. En todas estas aplicaciones, es necesario conocer de la dinámica de fluidos y los parámetros de transporte para poder desarrollar las modelizaciones adecuadas y las reglas de escalado. Este tipo de reactor ser utilizados para reacciones de oxidación en fase líquida a presión atmosférica. Se usan para reacciones lentas. Usados en la producción continua de cerveza, vinagre, ácido cítrico y biomasa de levaduras, bacterias y hongo s.


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REACTORES QUIMICOS 1.4

CLASIFICACION DE ACUERDO AL REGI REGIMEN MEN TERMI TERMICO CO

a) Reactores Reactores isotérmicos b) Reacto Reactores res adiabático s

1.4. 1. 4.1 1 Reacto Reactores res Isotérmico s Los reactores isotérmicos isotérmicos son aquellos donde la operación transcurre a temperatura constante. En los reactores isotermos se mantiene la temperatura durante la reacción, de manera que será necesario añadir o eliminar calor al reactor, según la reacción sea endotérmica o exotérmica, respectivamente. En ciertas circunstancias es conveniente mantener el reactor en condiciones isot ermas, ya sea la reacción exo o endotérmica ya que, en ausencia de control de la temperatura, ésta puede ser demasiado alta para la estabilidad del producto o demasiado baja para la velocidad de reacción. En caso de requerirse control de la temperatura se instala un serpentín o una camisa de intercambio de calor.

Se define régimen isotermo en un reactor tanque agitado continuo de mezcla perfecta cuando existe intercambio de calor entre el sistema reaccionante y el entorno. Un reactor de flujo en pistón isotermo es muy difícil de conseguir. Se puede conseguir si la entalpía enta lpía de la reacción es muy pequeña o el grado g rado de conversión muy bajo. Si no es así hay que poner un dispositivo de intercambio muy complejo.

Fig. 1.4.1 reactor en régimen isotérmico


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REACTORES QUIMICOS 1.4. 1. 4.2 2 Reacto Reactores res Ad iabáticos Los reactores adiabáticos son aquellos en los que se restringe es todo intercambio de calor. La operación en condiciones adiabáticas supone un aislamiento total del reactor con el medio exterior. Las variaciones de la temperatura, dentro del reactor, vienen determinadas por el calor de reacción

Fig. 1.4.2 1.4.2 Reactor Reactor adiabático


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REACTORES QUIMICOS

2. PARTES Y FUNCIONAMIENT FUNCIONAMIENTO O DE LOS EQUIPOS EQUIPOS 2.1 2. 1 Reactores Reactores de tanque agit ado Los rectores tipo CSTR consisten en un tanque, generalmente de volumen constante, y un sistema de agitación para mezclar los reactivos. Las tuberías de alimentación y salida están presentes para introducir reactivos y eliminar productos. A continuación, se muestra un CSTR al que se le ha quitado una parte de su lado para mostrar el interior.

Fig 2.1. Partes Partes de reactor de tanque agit ado CSTR


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REACTORES QUIMICOS Las paletas de agitación, también llamadas agitadores, se usan para mezclar los reactivos. A continuación se muestran imágenes de varios agitadores que podrían usarse dentro de un CSTR.

FIG 2.2 Agitadores para reactores CSTR

Los reactores de tanque agitado también cuentan con otros implementos, tales tales como: 

MOTOR: Agitador propiamente dicho generalmente compuesto compuesto de hélices o paletas paletas que le proporcionan la agitación a la mezcla.



CONDUCTOR DE ENTRADA Y SALIDA: Fuente de alimentación de los reactivos y salida de los mismos, además pueden existir salidas de vapores o agua dependiendo del reactor.



DEFLECTOR: Placas destinadas destinadas a evitar el flujo de una corriente evitando así los choques y las salpicaduras.



AIREADOR: Dispositivo que genera flujo de aire dentro del del agitador para para darle turbulencia y ayudar a homogenizar la mezcla



MANOMETRO: MANOMETRO: Dispositivo Dispositivo de regulación y lectura lectura de de la presión interna interna del tanque.



CAMISA: Camisa o recubrimiento recubrimiento térmico que ayuda ayuda a aislar la mezcla y conservar la temperatura.


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REACTORES QUIMICOS

Fig. 2.3 partes de un reactor de tanque agitado

2.2 2. 2 Reactores Reactores de flujo pi stón Los reactores de flujo pistón o tubulares consisten en un tubo o tubo tu bo hueco a través del cual fluyen los reactivos. A continuación se muestra un reactor de flujo pistón en forma de un tubo envuelto alrededor de un molde acrílico que está encajonado en un tanque. El agua a una temperatura controlada se hace circular a través del tanque para mantener la temperatura constante del reactivo.

Fig 2.4 Reactor de flujo pistón


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REACTORES QUIMICOS

Los reactores de flujo pistón, también conocidos como reactores tubulares, consisten en un tubo cilíndrico con aberturas en cada extremo para que f luyan los reactivos y los productos.

Los reactores de flujo pistón generalmente se operan en estado estacionario. Los reactivos se consumen continuamente a medida que fluyen a lo largo del reactor.

2.2.1 2.2 .1 Diseño de equipo

Los tapones de los reactivos se alimentan continuamente al reactor desde la izquierda. A medida que el tapón fluye hacia abajo del reactor, la reacción tiene lugar, dando como resultado un gradiente de concentración axial. Los productos y los reactivos que no han reaccionado salen del reactor de fo rma continua.

Fig 2.6 Reactor multitubular


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REACTORES QUIMICOS Los reactores de flujo pistón pueden configurarse como un tubo largo o una cantidad de tubos más cortos. Tienen un diámetro desde algunos centímetros hasta varios metros. La elección del diámetro se basa en el costo de construcción, el costo de bombeo, el tiempo de residencia deseado y las necesidades de transferencia de calor. Típicamente, se usan tubos largos de pequeño diámetro con altas velocidades de reacción y se usan tubos de mayor diámetro con velocidades de reacción lentas.

Fig 2.7 Ejemplos de tubos para reactores tubulares


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REACTORES QUIMICOS COMENTARIOS Un reactor es un componente esencial para efectuar un cambio químico (completo o parcial), para de ahí obtener un producto final. Son equipos que sirven para transformar un producto determinado, atendiendo sus causas físicas y químicas, para obtener uno nuevo o trabajar en el mismo, ya sea una solución, un alimento o un fármaco. Los reactores químicos son el corazón de las plantas químicas son un elemento primordial y eso lo podemos ver en algo tan simple como un diagrama de cebolla, que es una analogía grafica de la jerarquía de diseño de Douglas, donde como primer elemento tenemos al diseño de los reactores, como pudimos notar en los ejercicios resueltos en clase no siempre se tiene una conversión al 100% y a la salida de estos se tendrán una mezcla de reactantes y productos, por ello posteriormente se diseña el sistema de recirculación y se añade el sistema de separadores, después los intercambiadores de calor y por último los servicios auxiliares, sin embargo todo esto se diseña entorno al primer elemento ya que de este dependerá el diseño de equipos posteriores para el tratamiento de los productos y subproductos que genera nuestro reactor. Como podemos notar los reactores químicos se pueden clasificar de diferentes maneras, pero en todas las clasificaciones existentes, siempre se llega a los tipos más comunes de reactores. Los reactores de tanque agitado que incluyen los de tipo continuo y discontinuo, que son los reactores CSTR y los reactores bacht respectivamente. Y los reactores tubulares, en donde se encuentran los reactores de flujo pistón PFR, para sistemas continuos.


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REACTORES QUIMICOS BIBLIOGRAFÍA LIBROS 1. Levenspiel, O. "Ingeniería de las reacciones químicas". Ed. Reverté, 1990. 2. Smith, J.M Ingeniería de la cinética química. 3era Ed. McGraw-Hill, 1981 3. Tiscareño, F. Introducción a los reactores catalíticos. Versión 20 de enero del 2003.Instituto Tecnológico de Celaya

DOCUMENTOS ELECTRONICOS 4. Dr. Rogelio Cuevas García. Introducción a los reactores químicos. Sep.2009 5. dr. Rafael camarillo. camarillo. Tema 14. Reactores químicos. Ingeniería química 6. F.Cunill, M.Iborra, J.Tejero,J.F.Izquierdo, C.Fité. Apuntes Reactores químicos. Universidad de Barcelona .

7. ocw.upm.es/ingenieria-quimica/ingenieria-de-la-reaccion-quimica/.../cap5.pdf


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Clasificacion de Los Reactores Quimicos

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