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Reactores químicos y hornos de combustión
Integrantes: Aracelis Carvajal Frank Suarez Norelkis saldarriaga Roxana balsan Cesar yepez Enyerlin Villalobos Jean carlos prieto
Introducción
Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora esta constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y esta gobernado por un algoritmo de control. En ingeni ingenierí eríaa químic química, a, reactor reactores es químico químicoss son los recipie recipiente ntess diseñad diseñados os para contener reacciones químicas. El diseño de un reactor químico se ocupa de aspectos múltiples de ingeniería química. Los ingenieros químicos diseñan los reactores para maximizar el valor actual neto para la reacción dada. Los diseñadores se aseguran de que la reacción proceda con la eficacia más alta hacia el producto deseado de la salida, produciendo la producción más alta del producto mientras que requiera la menos cantidad de dinero comprar y funcionar. Los gastos de explotación normales incluyen la entrada de energía, el retiro de la energía, costos de la materia prima, el trabajo, etc. En este trabajo se analizarán las diversas funciones de algunos de los principales reacto reactores res químic químicos, os, sus ven ventaj tajas, as, desvent desventaja ajas, s, para que se utili utilizan zan y bajo bajo que condiciones se utilizan.
REACTOR QUIMICO Y HORNOS DE COMBUSTION
Definición de Reactor Químico Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control.
Tipos de reactores químicos Existen Existen infinidad de tipos de reactores reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes: a)
REACTOR DISCONTINUO. Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino mas bien, al inicio del proceso se introducen los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiem tiempo po preest preestabl ablec ecid ido, o, luego luego se desca descarga rgann los los produ product ctos os de la reacc reacció iónn y los los reactantes no convertidos. También es conocido como reactor tipo Batch.
b)
REACTOR CONTINUO. Mientras tiene lugar la reacción química al interior del reactor, éste se alimenta constantemente de material reactante, y también se retira ininterrumpidamente los productos de la reacción.
c)
REAC REACTO TOR R SEMI SEMICO CONT NTIN INUO UO:: Es aqu aquel el en el cual cual inic inicia ialm lment entee se carga carga de material todo el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va retirando productos y también incorporando más material de manera maner a casi continua.
d)
REACTOR TUBULAR. En general es cualquier reactor de operación continua, con movimi movimient entoo con constan stante te de uno o todos todos los reactiv reactivos os en una direcci dirección ón espaci espacial al seleccionada, y en el cual no se hace ningún intento por inducir al mezclado. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un extremo y salen por el otro.
e)
TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA. Este reactor consiste en un tanque donde donde hay hay un fluj flujoo con conti tinu nuoo de mate materi rial al reacc reaccio iona nant ntee y desde desde el cual cual sale sale contin con tinuam uament entee el materia materiall que ha reacci reacciona onado. do. La agitac agitación ión del conteni contenido do es esencial, debido a que el flujo interior debe estar en constante circulación y así producir una mezcla uniforme.
f)
REAC REACTO TOR R DE LECH LECHO O FLUI FLUIDI DIZA ZADO DO.. Se util utiliz izaa para para reac reacci cion ones es do dond ndee intervengan un sólido y un fluido (generalmente un gas). En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rápido de partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formación de zonas calientes.
g)
REACTOR DE LECHO FIJO. Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos como el platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido acético.
h)
REAC REACTO TOR R DE LECH LECHO O CON CON ESCU ESCURR RRIM IMIE IENT NTO. O. En esto estoss reac reacto tore ress el catalizador catalizador sólido está presente como en el lecho fijo. Los reactivos reactivos se hacen pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a través del lecho.
i)
REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. Una fase fluida pasa hacia arriba a través de un lecho formado por sólidos. El sólido se alimenta por la parte superior del lecho, se mueve hacia debajo de la columna y se saca por la parte inferior.
j)
REACTOR DE BURBUJAS. Permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso a través de un líquido con el que puede reaccionar, porque el líquido contiene un catalizador disuelto, no volátil u otro reactivo. El producto se puede sacar del reactor en la corriente gaseosa.
k)
REAC REACTO TOR R CON CON COMB COMBUST USTIB IBLE LE EN SUSPE SUSPENS NSIÓN IÓN.. Son Son simi simila lare ress a los los reactores de burbujeo, pero la fase líquida esta formada por una suspensión de líquidos y partículas finas del catalizador sólido.
l)
REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. En este reactor las propiedades no se modifican ni con el tiempo ni con la posición, ya que suponemos que estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeño en comparación con el tiempo de permanencia en el reactor. En la práctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco viscosa y esté bien agitada
m)
REACTO REACTORES RES DE RECIRCU RECIRCULAC LACIÓN IÓN.. Pueden Pueden ser con disposit dispositivo ivo separado separador, r, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente directamente a la entrada del reactor. Sin dispositivo separador, cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se recirculan de nuevo al reactor.
n)
REACTORES DE MEMBRANA. Son aquellos que combinan la reacción y la separación en una sola unidad; la membrana selectivamente remueve una (o más) de las especies reactantes o productos. Estos reactores han sido comúnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la reacción están es tán limitados por el equilibrio. También han sido propuestos y usados para otras aplicaciones; para incrementar el rendimiento y la selectividad de reacciones enzimáticas y catalíticas influyendo a través de la membrana sobre la concentración de una (o más) especies interm intermedi edias, as, removié removiéndol ndolas as select selectivam ivament entee (o ayu ayudand dandoo a manten mantenerl erlas as en una concentración baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interfase controlada entre dos o más reactantes.
o)
FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en una sopa espesa que contiene crecimientos filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la fabricación de antibióticos como la penicilina.
p)
REACTOR TRICKLE BED. Este tipo de reactor supone la existencia de un flujo continuo de gas y otro de líquido hacia abajo sobre un lecho fijo de partículas sól sólidas das cat catalí alíticas icas,, las las cara caract cter eríísti sticas cas de las las part partíícul culas sóli sólida dass y de su empaquetamiento, junto con los caudales y propiedades de las dos corrientes de fluidos determinarán el régimen de flujo del reactor y también sus propiedades fluido-dinámicas. También se pueden mencionar los reactores ISOTÉRMICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y también los reactores ISOBÁRICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma presión constante.
Secuencia de operación del equipo
Siendo ya conocidas conocidas las las partes partes que integra integrann el reactor, reactor, así así como las líneas líneas de servicio servicio (energ (energía ía eléct eléctri rica, ca, vap vapor, or, agu aguaa de enfri enfriam amie iento nto)) al mism mismoo y sus carac caracte terís rísti ticas cas,, el procedimiento para el manejo se facilita, y se lleva a cabo de la siguiente manera: 1. Verific Verificar ar que el equipo equipo se encuent encuentre re en perfect perfectas as cond condici iciones ones (limpi (limpieza eza,, energí energíaa eléctrica, accesorios, etc). 2. Revisar que la válvula de descarga se encuentre perfectamente cerrada. 3. Revisar que la válvula de salida de condensados esté abierta. 4. Alimentar los reactantes por la boca de alimentación, teniendo cuidado de no impregnar el empaque de la alimentación con los los reactivos. reactivos. 5. Accionar la agitación y regular su velocidad. 6. Dependiendo del tipo de reacción se efectúan los siguientes pasos: a) Si se necesit necesitaa aplicar aplicar calor, calor, se alimen alimentar taráá vapor a la camisa camisa del reactor por medio de la válvula del vapor. b) Si se necesita agua de enfriamiento enfr iamiento durante duran te la reacción se hará h ará uso de la válvula correspondiente.
7. Para realizar el análisis análisis durante la operación, se tomarán muestras en el transcurso transcurso de la reacción por medio de la válvula válvula de descarga de los productos. 8. Una vez que se haya efectuado la reacción, parar la alimentación de vapor, agitación. 9. Dejar enfriar los productos y una vez fríos descargarlos. 10. Lavar el reactor con agua potable
Aplicaciones •
Química Fina (especialidades químicas de elevado valor añadido)
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Obtención de algunos polímeros
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Industria farmacéutica
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Industria alimentaria (fermentación alcohólica)
Ventaja Versatilidad: el mismo reactor puede emplearse en la obtención de distintos productos Operación con tiempos de reacción tan elevados como se quiera.
Desventajas •
Elevada mano de obra por unidad de producción
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Difícil reproducir características del producto final
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Pequeñas capacidades de producción
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Elevados volúmenes de reactores.
Partes de un reactor químico Los componentes más importantes de un reactor químico, de tanque agitado, son: 1.- Cuerpo principal del reactor, en el que se lleva a cabo la reacción. 2.- Chaqueta de calentamiento/enfriamiento 3.- Entrada hombre, para labores de limpieza y mantenimiento 4.- Agitador 5.- Motor del agitador con moto reductor 6.- Boquillas de alimentación de reactivos 7.- Boquillas de descarga de productos 8.- Punto de muestreo 9.- Boquillas de alimentación de aditivos (catalizador, iniciador, finalizador) 10.- Equipos periféricos (condensador, cambiador de calor, bombas) 11.- Sistema de seguridad (válvulas de alivio, discos de ruptura, etc.) 12.- Sistemas para la indicación, registro y control de las variables de proceso 13.- Mirilla 14.- Conexiones para instrumentos diversos 15.- Termo pozos para medición de temperatura 16.- Mamparas para favorecer la turbulencia y el mezclado
HORNOS Definiremos primeramente un horno como un espacio encerrado en el que se produce calor mediante la oxidación química de un combustible. Uno de los requisitos de un horno es que debe completar el encendido del quemador para obtener la reacción de combustión que se desea. Es esencial que se tomen en consideración al horno y al quemador en combinación para proporcionar los cuatro elementos de una buena combustión: • Intima mezcla del combustible y el oxidante (aire). • Ad Admi misi sión ón de cant cantid idad ades es sufi sufici cien ente tess de oxid oxidan ante tess para para qu quem emar ar po porr comp comple leto to el combustible. •Una temperatura suficiente para encender la mezcla combustible-aire y completar su combustión. •El tiempo necesario de residencia para que la combustión sea completa.
3LA COMBUSTIÓN COMBUSTIÓN La demanda creciente de petróleo en el mundo afecta directamente la economía de las empresas dedicadas a su procesamiento .Las refinerías de petróleo no escapan de este tema, ya que en ellas generalmente, se obtiene la totalidad de la energía necesaria para los distintos procesos quemando parte de los hidrocarburos procesados, ya sea como gas, fuel oil, asfalto, etc.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS COMBUSTIBLES Se puede definir la Combustión como una reacción química según la cuál un elemento se combi combina na con oxíg oxígen enoo despr desprend endie iendo ndo aprec aprecia iabl blee cant cantid idad ad de calo calorr .Para .Para que exis exista ta com combust bustió iónn es nece necesa sari rioo que que exis exista ta un elem elemen ento to qu quee qu quem eme( e(co com mbu bust stib ible le)) y el oxígeno (carburante).Los combustibles utilizados contienen dos elementos que poseen la propiedad de unirse exotérmicamente al oxígeno: el carbono car bono y el hidrógeno, generalmente combinados entre sí (como hidrocarburos).Algunos combustibles arden más fácilmente que otros y en general esto depende de cuan fácil sea ponerlos en contacto con el oxígeno del aire
Productos de la combustión: Los principales productos de combustión:
• dióxido de azufre (SO2) • dióxido de carbono (CO2) • monóxido de carbono (CO) • óxido de nitrógeno (NO2, NO3, etc. en general NOx) • partícula
Aire necesario para la combustión Cuando se conoce la composición química de un combustible es posible calcular la cantidad de oxígeno necesario para una combustión completa. Sin embargo, la combustión no se hace con oxígeno puro, sino con aire, compuesto casi exclusivamente de nitrógeno y oxígeno (79%vol. de nitrógeno y 21 %vol. De oxígeno).Al utilizar aire como medio carburante carburante trae como consecuencia consecuencia la introducción introducción de una gran masa de nitrógeno (que no participa en las reacciones químicas de la combustión) que absorbe buena parte del calor generado, con el consiguiente descenso de la temperatura de la llama y aumento de las pérdidas de calor arrastrado por los humos en la chimenea. CH4+ 202 ----C02+ 2H2O + calor
Es decir que se necesitan 2 m3de oxígeno para quemar 1 m3de metano. La cantidad de aire necesaria sería la siguiente: como el aire tiene 21% de oxígeno en volumen.0,21 m3 de oxígeno están contenidos en 1 m3de aire.2 m3de oxígeno están contenidos en 10 m3 de aire Se tiene entonces que para quemar 1 m3de metano se necesitan 10 m3 de aire. Si se representa esto en forma gráfica, tendremos la figura :Los productos de una combust combustión ión complet completaa que salen salen por chimen chimenea ea serán serán bióxid bióxidoo de carbono carbono (C02), agua, anhídri anhídrido do sulfuro sulfuroso so (S02) y nitr nitróg ógen enoo (N2).Si ).Si la combust combustión ión es incomp incomplet leta, a, también también tendremos monóxido de carbono (CO).Si existe exceso de aire, también habrá oxígeno en los gases de chimenea .Si existe déficit de aire, también habrá hidrocarburo no quemado en los gases de chimenea.
Aire teórico Se llama así a la cantidad de aire que según la reacción química se necesita para una combustión combustión completa. completa. La combustión completa completa es un concepto teórico y se presenta como un caso ideal. En la práctica se requiere mayor cantidad de oxígeno.
Exceso de aire Durante las combustiones reales no se puede quemar completamente todo el combustible empleando empleando la cantidad cantidad de aire mínima y necesaria, necesaria, ya que es imposible imposible que cada partícula partícula de combustible éste rodeada del oxígeno necesario que requiere su combustión total, pues
en un horno por ejemplo, existirían lugares con exceso y otros con defecto de aire. La canti cantidad dad de calor calor gener generada ada por la comb combust ustió iónn de una canti cantida dadd de combus combusti tibl blee es independiente del exceso de aire siempre que la combustión sea completa. Mientras mayor sea la cantidad de aire en exceso, mayor será la pérdida de combustible y menor será la eficiencia del horno. Si se usa una cantidad insuficiente de aire, el carbono no se quemará completamente hasta bióxido de carbono (CO2), sino que se formará una cierta cantidad de monóxido de carbono (CO).Bajo condiciones promedio, la presencia de 1% de monóxido de carbono en los gases de combustión representa aproximadamente una pérdida del 4% en combustible .El criterio a seguir es lograr el porcentaje más alto de CO2 en los gases de combustión evitando la formación de CO
EQUIPO DE COMBUSTIÓN –descripción Supongamos Supongamos que se debe calentar calentar un líquido líquido para un proceso determinado. determinado. El sistema sistema que podríamos utilizar es colocar un recipiente directamente sobre el fuego .Analizaremos los defectos (que se traducen en costos) presentados por el sistema:1. se pierden vapores del producto al ambiente, por lo tanto se s e pierde dinero.2. el sistema es discontinuo.3. el fuego da directamente sobre el metal, lo cual acorta la vida útil del recipiente.4. se pierde calor al ambiente con los gases de combustión calientes5. se pierde calor a través de la pared del recipiente. Las alternativas técnicas a los efectos de solucionar los problemas planteados serían:1. Para solucionar los problemas presentados en los puntos 1 y 2 se podría hacer circular el producto a través de un serpentín. Para solucionar los problemas presentado en el punto 3, se podría construir una caja de material refractario y reubicar el quemador, y la fragi fragili lida dadd de esta esta pared pared de refrac refracta tari rioo se podrí podríaa solu soluci ciona onarr colo colocan cando do un unaa cubi cubiert ertaa metálica.2. Para solucionar los problemas presentado en el punto 4 se podría construir un serpentín superior con su correspondiente caja, generando así lo que se conoce como haz de convección.3. convección.3. Para optimizar aún más, se podría colocar otro serpentín serpentín como por ejemplo para sobrecalentar vapor. De esta manera conseguimos un equipo de combustión que puede alcanzar un 80%de rendimiento. Si se quiere conseguir mayor eficiencia técnico - económica podría utilizarse un sistema de precalentamiento de aire recuperando parte del calor que aún tienen los gases de combustión, para lo cuál se debe introducir el aire a presión como ocurre con una caldera. Este sistema más completo puede alcanzar hasta 95% de rendimiento, lo que se traduce en la obtención del beneficio de una mayor combustión al menor costo.
Anexos
