Diseño de Reactores

Diseño de Reactores Carolina De la Cruz ([email protected]), ([email protected]) , José Nenil Medina ([email protected]) Universidad Nacional de Ingeniería Lima-Perú Abstract 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. química. Se estudiará los factores implicados en el diseño de un reactor. Kinetics and reactor design are important for the production of most industrial chemical substances. The election of a reaction system that operates in the safest and efficient way can be the key for success or for a n economical failure of a chemical plant. Factors implied in reactor design will be studied.

I. INTRODUCCIÓN Los reactores son un componente crucial en la industria debido a que representan el corazón de la producción de productos químicos; en el que los productos de alto valor se producen a través de la transformación química y su alto rendimiento debe garantizarse. La ingeniería de la reacción tiene que ver con el rendimiento del reactor, selectividad, seguridad, medio ambiente, calidad y pureza. Así como el grado en que el reactor apoya la viabilidad económica general de la planta y las condiciones operativas óptimas. II.C II. CONCEPTOS GENERALES Una reacción química es un proceso que resulta de la conversión de sustancias químicas. La sustancia o sustancias inicialmente involucradas se llaman reactantes. Estos reactivos se caracterizan por un cambio químico y con ellos se obtienen uno o más productos. Estos productos son generalmente diferentes de los reactivos originales. Las reacciones químicas pueden ser de naturaleza diferente dependiendo del tipo de reactivos, el tipo de producto deseado, las condiciones y tiempo de la reacción, por ejemplo, la síntesis, descomposición, desplazamiento, precipitación, isomerización, ácido-base, rédox o reacciones orgánicas. Los reactores químicos son recipientes destinados a contener las reacciones químicas. Es el sitio de conversión de materias primas en productos y también se conoce como el corazón del proceso químico. Se debe asegurar que la reacción procede con la más alta eficiencia hacia la salida deseada, produciendo el mayor rendimiento de producto de la manera más rentable. Los reactores están diseñados en base a características como el modo de operación o tipos de fases presentes o la geometría de estos. Por lo tanto se les llama:

• Lote o continua, dependiendo del modo de operación. • Homogéneos o heterogéneos, dependiendo de las fases

presentes. También se pueden clasificar como • Tanque Agitado Reactor • Reactor tubular • Reactor de lecho relleno • Lecho fluidizado

III.

TIPOS DE PROCESOS

Proceso Batch: Un proceso en el que se añaden todos los reactivos juntos en el inicio del proceso y de los productos retirados a la terminación de la reacción se denomina un proceso por lotes. En este proceso, se añaden todos los reactivos en el comienzo y sin adición o retiro se hace mientras que la reacción progresa.

Fig1. Proceso por lote Proceso continuo: Un proceso en el que los reactivos se alimentan al reactor y los productos o subproductos se retiran en el medio mientras que la reacción todavía está progresando (Fig. 2). Por ejemplo, proceso de Haber para la fabricación de amoníaco. Producción continua normalmente dará menores costos de producción, en comparación con la producción por lotes. Reactores continuos son generalmente preferidos para la producción a gran escala.

Tipo de reactor

Principio de trabajo

Ventajas

Limitaciones

Área de aplicación

Reactor Batch

Todos los reactivos se añaden al comienzo y el producto es retirado en la terminación de la reacción. Ellos se llevan a cabo en tanques conectados con impulsores, burbujas de gas o bombas.

Adecuado para pequeña escala

a

No es adecuado para grandes tamaños de lote

• Adecuado para procesos en los que

• Es un sistema cerrado en el

hay una gama de diferentes productos o grados que se producirá en el mismo equipo

que una vez que los reactantes se añaden en el reactor, saldrán como productos sólo después de la finalización de la reacción

Procesos por lotes se utilizan en la industria química (tintas, colorantes, polímeros) y la industria alimentaria

•

Apto

para

la

las

producción

reacciones

que

requieren largos tiempos de reacción •

Reactor continuo de tanque agitado (RCTA, CSTR)

Reactores en flujo pistón (PFR)

Uno o más reactivos de fluidos se introducen en un reactor de depósito equipado con un impulsor mientras se recupera el efluente del reactor. Existe un gradiente de concentración intensificado

Uno o más reactivos de fluidos se bombean a través de una tubería o tubo. Estos se caracterizan por gradientes continuos de concentración en la dirección del flujo.

Adecuado

para

reacciones

con

selectividad altos. Dispositivo altamente flexible • Por productos se pueden retirar en la durante la reacción • Es económicamente beneficiosa para

operar varios CSTR en serie o en paralelo. La reacción puede llevarse a cabo en horizontal, así como reactores verticales Mayor eficiencia de un CSTR del mismo volumen

Más complejo y costoso que las unidades tubulares • Todos los cálculos realizados con CSTR asumen mezcla perfecta

Industria química en especial que involucra reacciones líquido / gas

• En el estado estacionario, la

tasa de flujo en debe ser igual a la tasa de flujo de salida, de lo contrario el depósito se desbordará o ir vacío No es económica para pequeños lotes

• PFR pueden tener varios tubos o

tubos en paralelo • Ambas operaciones horizontales y

verticales son comunes • Pueden ser con camisa

El reactor tubular está especialmente adaptado a los casos que requieren una considerable transferencia de calor, donde se producen altas presiones y temperaturas muy altas o muy bajas

Tabla 1: Tipos de reactores

sin sufrir ningún cambio químico permanente, aumenta la velocidad de una reacción. IV.

Fig 2. Proceso contínuo Proceso semi-continuo: Proceso que no encajan en la definición de lotes o un reactor semi-continuo se opera con dos entradas y salidas continuas y por lotes y se denominan semi continuo o semi-continuo menudo. En tales reactores semi-lotes, algunos de los reactivos se pueden añadir o algunos de los productos retirados a medida que avanza la reacción. Procesos Catalíticos: La mayoría de las reacciones químicas proceder ya sea en presencia de catalizadores o aumenta su rendimiento en presencia de catalizadores. Un catalizador es una sustancia que, en sí,

TIPOS DE REACCIÓN

Reacciones homogéneas: Reacciones homogéneas son aquellas en las que se forman las sustancias reaccionantes, productos y cualquier catalizador usado una fase continua; por ejemplo, gaseoso o líquido. Reactores de fase gaseosa homogénea siempre serán operados de forma continua. Tubulares (línea Pipe) reactores se utilizan normalmente para reacciones en fase gas homogéneas; por ejemplo, en el craqueo térmico de petróleo, fracciones de aceite crudo a etileno, y la descomposición térmica de dicloroetano al cloruro de vinilo. Homogéneos reactores en fase líquida puede ser discontinuo o continuo. Reacciones por lotes de líquidos simples o miscibles están casi invariablemente realizan en agitada o bomba de alrededor de los tanques. Se necesita la agitación para mezclar múltiples alimentaciones en la salida y para mejorar el intercambio de calor con el medio de enfriamiento o calentamiento durante el proceso.

Reacciones heterogéneas: En una reacción heterogénea existen dos o más fases y los problemas primordiales en el diseño del reactor es promover la transferencia de masa entre las fases. V.

TIPOS DE REACTOR

En la tabla 2 se observa los tipos de reactores: reactor batch, reactor de mezcla completa y reactor tubular.

platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho catalizador está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalíticas se emplean en procesos comerciales para la oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido acético. FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REACTOR El diseño de un producto químico ofertas de reactores con múltiples aspectos de la ingeniería química. Las reacciones químicas, energía ecuaciones químicas y leyes de la termodinámica juegan un papel importante en la selección y diseño de reactores químicos.

Fig. 3 Reactor batch

Reacciones químicas: representación del cambio químico en términos de símbolos y fórmulas de los reactivos y productos se llama una ecuación química. Energía: las reacciones químicas siempre se asocian con cambios de energía. Muy a menudo, el cambio de energía que acompaña a una reacción química es más significativa que la propia reacción. La rama de la ciencia que se ocupa de los cambios de energía asociados con las reacciones químicas se llama energética químicos.

Fig. 4 Cascada de tanque agitados

Termodinámica: Dado que la energía de enlace varía de un enlace a otro, las reacciones químicas son siempre acompañados por la absorción o liberación de energía. La mayoría de las veces la energía es en forma de calor. Por lo tanto, el diseño de un reactor químico industrial debe cumplir los siguientes requisitos:

Fig 5. Reactor piston Con catalizador: Lechos fluidizados: Son reactores continuos fluido-sólido donde un lecho de partículas encerradas en un cilindro vertical es fluidizado por una corriente líquida o gaseosa ascendente, con una velocidad suficiente (superior a la de sedimentación) para mantenerlas suspendidas y en movimiento, sin llegar su arrastre neumático fuera de la zona de fluidización. La fase sólida (reactivo o catalizador) puede fluir y extraerse continuamente a través de un rebosadero para su recirculación y/o regeneración Lechos empacados: 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

Los factores químicos: La cinética de la reacción. El diseño debe proporcionar suficiente tiempo de residencia para la reacción deseada para proceder al grado requerido de conversión. Los factores de transferencia de masa: Con reacciones heterogéneas, la velocidad de reacción pueden ser controladas por las tasas de difusión de las especies que reaccionan, en lugar de la cinética química. Los factores de transferencia de calor: La eliminación o adición del calor de reacción. Los factores de seguridad: el confinamiento de reactivos peligrosos y productos y el control de la reacción y las condiciones del proceso. Factores económicos: cantidad mínima de dinero deberían estar obligados a comprar y operar. Gastos de explotación normales incluyen entrada de energía, la

eliminación de la energía, los costos de las materias primas, mano de obra, etc. VI.

PROCEDIMIENTO DEL DISEÑO

-Un diseño mecánico preliminar para el reactor incluyendo el diseño de los buques, las superficies de transferencia de calor, etc., se hace. -El diseño está optimizado y validado

Un reactor químico industrial es un dispositivo complejo en el que deben tenerse en cuenta la transferencia de calor, transferencia de masa, la difusión y la fricción y debe ser seguro y controlable. En los grandes vasos, problema de la mezcla de los reactivos, la distribución del flujo, distribución de tiempo de residencia y la utilización eficiente de la superficie de catalizadores porosos también se plantea. Una unidad comercial exitosa es un equilibrio económico de todos estos factores. Un procedimiento general para el diseño del reactor se describe a continuación: Los datos cinéticos y termodinámicos en la reacción deseada se deben recoger inicialmente. Serán necesarios valores para la velocidad de reacción en un rango de condiciones de operación, por ejemplo, presión, temperatura, caudal y concentración de catalizador. Estos datos pueden ser obtiene normalmente a partir de estudios de laboratorio, ya sea o de planta piloto. Se requiere: -Datos sobre las propiedades físicas para el diseño del reactor. Esto puede ser estimada ya sea, o recogidos por la literatura o obtiene tomando mediciones de laboratorio. -El mecanismo de control de la velocidad que tiene un papel predominante es entonces identificado, por ejemplo, cinética, la masa o la transferencia de calor.

-Un costo aproximado del diseño propuesto y validad

VII.

CONCLUSIONES

Un reactor químico posee propiedades y usos distintos. Cada uno de ellos influye en el diseño del mismo. La ingeniería permite controlar las variables y la eficiencia del reactor. Ha permitido un gran avance para la industria química poder estudiar estos factores así como aplicarlos en la selección de un sistema de reacción que opere de la forma más segura y eficiente posible Esto puede ser la clave del éxito o del fracaso económico de una planta química. Una de las tareas del ingeniero cuando está frente a una serie de operaciones que transforman ciertos insumos o materias primas mediante procesos físicos y químicos consiste en el dimensionamiento de los equipos correspondientes. Las condiciones de operación varían con la posición y el tiempo, por lo que es necesario efectuar la integración de la ecuación cinética para las condiciones de operación. Esta integración puede presentar dificultades debido a que la temperatura y la composición del fluido reaccionante pueden variar de un punto a otro dentro del reactor, dependiendo del carácter exotérmico o endotérmico de la reacción y de la velocidad de intercambio de calor con el exterior

VIII. BIBLIOGRAFÍA A continuación, se elige: -Un tipo reactor adecuado, basado en la experiencia con estudios similares o desde el trabajo de laboratorio y planta piloto. -Selección de las condiciones de reacción óptimas se hace inicialmente con el fin de obtener el rendimiento deseado El tamaño del reactor se decidió estimado. Dado que rara vez son analíticas exactas de la relación de métodos basados en el análisis idealizadas.

y su rendimiento posible soluciones diseño, se utilizan de los reactores

-Materiales para la construcción del reactor se seleccionan.

De la Peña, M.R., INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS INGENIERIL DE LOS REACTORES QUÍMICOS, México, 1ra. Ed. Editorial Limusa, 1981 Levenspiel Octave, INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS, Barcelona: Editorial REVERTE, 1984.. Logan S. R. FUNDAMENTOS DE CINETICA QUIMICA, Mexico: Editorial Addison Wesley, 1996. Smith, J.M. INGENIERIA DE LA CINETICA QUIMICA, España: Editorial CECSA, 1980. Keith J. Laidler, CINETICA DE LAS REACCIONES: REACCIONES HOMOGENEAS EN FASE GASEOSA, España, Editorial ALHAMBRA, 2da edición, 1972