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REACTORES
Tabla de contenido REACTORES ..................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................ .. 1 1.
INTRODUCCION INTRODUCCION A LOS REACTORES QUIMICOS. ......................................................... ......................................................................... ................ 2
2.
OBJETIVOS....................................................................... .................................................................................................................................. ............................................................ 5
3.
MARCO TEORICO. .......................................................... ....................................................................................................................... ............................................................. 5 3.1.
Definición de la reacción química. ........................................................... ...................................................................................... ........................... 5
3.2.
Definición de reactor químico..................................................................... ............................................................................................ ........................ 6
3.3.
Reacción Homogénea Homogénea y Heterogénea. Heterogénea. ................................................................... ................................................................................ ............. 7
3.4.
Reactores homogéneos homogéneos y heterogéneos. heterogéneos. ........................................................... ........................................................................... ................ 7
3.5.
Reactor continuo y discontinuo. .............................................................. ......................................................................................... ........................... 7
3.6.
Ecuacion de rendimiento. ............................................................. ................................................................................................. .................................... 10
3.7.
Tipos de reactores quimicos ......................................................... ............................................................................................. .................................... 10
4.
CONCLUSIONES CONCLUSIONES .............................................................. ......................................................................................................................... ........................................................... 21
5.
BIBLIOGRAFIA.................................................................. ........................................................................................................................... .......................................................... 21
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1. INTRODUCCION A LOS REACTORES QUIMICOS.
En la cotidianidad nos damos cuenta del sinfín de compuestos químicos utilizados. Todas las personas del ámbito de la química, bien sea ingeniería o la ciencia pura, deberían peguntarse-no estoy delimitando, cualquiera se lo podría preguntar-dónde se producen los reactivos que se utilizan a escala de laboratorio y a nivel industrial, con los cuales la vida se hace un poco más sencilla, o preguntarse, pr eguntarse, y esta vez refiriéndome a mis colegas del mundo de la química, de dónde salen los compuestos que generalmente generalmente desarrollamos en nuestras reacciones químicas. Por más inverosímil que sea una reacción química determinada debemos tener en cuenta que todas son posibles y todas, algunas más que otras, tienen una importancia considerable debido a que en algunas el producto generado ofrece algún beneficio con respecto a otro, siendo la producción del compuesto suplente un tanto más económico, por ejemplo. Es muy amplia la justificación de la producción de compuestos químicos ya que hay casos en los cuales la necesidad del producto coloca el aspecto económico en segundo plano. Al condensar todas las consideraciones que hemos tratado le damos una respuesta directa a la interrogante anterior. La respuesta es en un Reactor Químico, el cual se define como un equipo en cuyo interior se desarrolla una reacción química, diseñado con el objeto de maximizar la conversión y la selectividad de la reacción seleccionada seleccionada con el menor costo posible. Esto hace que los reactores químicos sean sin duda alguna una de las unidades de procesos más importantes en el ámbito de la Ingeniería Química. Para poder comprender su operación y diseño, es necesario contar con conocimientos previos en el área de cinética química. El dominio del diseño de reactores y cinética química son aspectos fundamentales que distinguen un ingeniero químico de cualquier otro en un campo de aplicación determinado. El estudio de reactores se condensa en una rama de la Ingeniería Química denominada "Ingeniería de las Reacciones Químicas", la cual evalúa las reacciones químicas en los reactores a escala industrial. Su objeto de estudio es el diseño y funcionamiento óptimo de las unidades de procesos mencionadas anteriormente. Es atrevido decirlo, pero autores mencionan que la Ingeniería de Reacciones es lo que hace que la Ingeniería Química sea una rama de la Ingeniería. No necesariamente es así. Hay otras unidades de procesos que también tienen un papel fundamental en Ingeniería Química y que se estarán estudiando más adelante. Los reactores químicos tienen una clasificación bastante simple.
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1. Según su modo de operación se encuentran los reactores discontinuos y continuos. 2. Según el tipo flujo dentro de la unidad se tienen los reactores ideales y no ideales. 3. Según las fases albergadas se cuentan con los reactores homogéneos y heterogéneos. La continuidad o discontinuidad responde al hecho de cómo opera el reactor. Los reactores discontinuos son también denominados reactores por lotes, debido a que una cantidad de reactivo es colocado en la unidad, esperando un tiempo determinado en el cual la reacción transcurre para luego retirar el producto final. El tiempo de espera depende de la cinética química de la reacción a tratar. Por otra parte, un reactor continuo es aquel en donde su alimentación se hace en forma continua y no por lotes o cargas. A pesar de que los reactores más utilizados a escala industrial son los reactores continuos, cabe destacar que éstos, en casos donde la producción sea descomunal, casi nunca se comportan idealmente, ya que en ellos, con el pasar del tiempo, se va generando zonas muertas en donde el fluido no circula. Esto va a depender de lo corrosivo que sean los reactivos en la reacción trabajada, y aunque sean reactores denominados ideales por la sencillez de su diseño, se deben tomar en cuenta todas las consideraciones que podrían hacer que el rendimiento de operación se vea disminuido. Los reactores continuos utilizados con mayor frecuencia son los de tanque agitado o de mezcla completa y los reactores de flujo en pistón. Los reactores continuos de tanque agitado (CSTR), o también denominados de flujo de mezcla completa (RFMC), son unidades de reacción que operan en estado estacionario. Consiste en un tanque en donde la alimentación posee la misma concentración de la corriente de salida en cualquier punto del interior del mismo, y teóricamente se alcanza la máxima conversión de los reactivos en el instante en que éstos entran a la unidad. Cuentan con un sistema de agitación que garantiza el mezclado de los reactivos para generar un mayor rendimiento de los productos de salida. Cada reacción en particular necesita ciertas revoluciones de mezclado pero en el diseño se considera una holgura en las revoluciones por minuto del motor de agitación para garantizar un mayor mezclado que en teoría se considera un mezclado perfecto, pero a nivel físico puede no cumplirse ese criterio por consideraciones que abarcan desde el sistema mecánico del reactor que proporciona el mezclado, hasta la compatibilidad de los reactivos a la hora de reaccionar, sin embargo, ajustándose a condiciones ideales puede darse un mezclado de alta eficiencia, garantizando la máxima conversión de los reactivos en la unidad.
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A nivel industrial es uno de los reactores más comunes debido a su rentabilidad económica. Su diseño, al igual que los demás reactores, depende de la cinética química y naturaleza de la reacción, y de la cantidad de producto deseado se quiera generar para determinar su volumen. Dependiendo de la naturaleza de las especies a reaccionar, los reactores de mezcla completa pueden presentar ciertas modificaciones. Para citar un ejemplo práctico, en la síntesis de compuestos orgánicos oxigenados a partir de alcoholes, es necesario un calentamiento que catalice la reacción, es por esto que entre los reactores de tanque se tienen los denominados reactores con chaquetas de calentamiento, en los cuales un fluido caliente transfiere calor a las paredes de la unidad para proporcionar la energía necesaria a la reacción a desarrollar. Consiste en un intercambiador de calor colocado en serie al reactor en donde el fluido realiza un recorrido cíclico, transportándose desde la salida caliente del intercambiador, entrando a la chaqueta del reactor, y saliendo frío para entrar al intercambaidor y ser calentado nuevamente. Otra alternativa para catalizar ciertas reacciones químicas en las cuales el calentamiento no basta es la implementación de catalizadores sólidos. Esta modificación de los CSTR se conoce como reactores empacados. El ingeniero debe determinar cuánta masa de catalizador necesita la reacción en estudio para evitar gastos innecesarios debido a que los catalizadores utilizados con frecuencia tienden a ser en algunas ocasiones relativamente costosos. Un ejemplo práctico es la síntesis de glicerol a partir de la oxidación de alcohol alílico, utilizando catalizadores de Wolframio, por lo general sólidos. Otro de los reactores continuos a estudiar que también cuenta con gran utilidad a nivel industrial, es el reactor de flujo en pistón o reactor tubular (PFR). Al igual que el CSTR, opera de forma estacionaria, solamente que no se considera que la concentración de las especies es uniforme en toda la mezcla, sino que se incrementa progresivamente a medida que la reacción se va dando en el haz de tubos, y su conversión progresa a lo largo del recorrido. Consiste en un haz de tubo que puede ser unitubular o pluritubular, dependiendo de la demanda del compuesto deseado y de la disposición del espacio en donde opere la unidad. Su principal ventaja en comparación al reactor de tanque agitado es que, al calcular el volumen del reactor, en ingeniero consultor para la construcción puede buscar la disposición del reactor que implique el menor espacio posible, ya que el haz de tubos puede construirse de varias maneras.
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Al igual que los reactores de mezcla completa, los RFP pueden contar con un intercambio de calor y empaques de catalizador que requiera la reacción. En los reactores de flujo pistón el calentamiento más utilizado es el diseño de un intercambiador de calor de doble tubo, en donde el interno pertenezca al del reactor, fluyendo el fluido de calentamiento por el externo. Algunas veces es poco eficiente este método ya que la velocidad de los reactivos es más rápida que la velocidad del fluido de calentamiento, por ello, se emplean deflectores en el tubo externo para generar una turbulencia que maximice el intercambio de calor en las paredes del reactor. Es por la cualidad de combinar un intercambiador de calor en su misma estructura que es considerado uno de los reactores más versátiles en diversas síntesis. Debido a que en el reactor de flujo pistón a medida que los reactivos se desplazan a lo largo del mismo, la conversión va incrementando, al momento de empacarlo con catalizador el ingeniero debe ser muy cuidadoso ya que debe saber la conversión exacta de los reactivos en una posición determinada para colocar el catalizador, y luego, más adelante en el haz de tubos, volver a empacar con otra conversión hasta alcanzar la máxima al final del reactor. Es la principal desventaja en comparación con el reactor de mezcla completa ya que el empaque debe hacerse progresivamente a medida que la conversión de los productos aumente. 2. OBJETIVOS.
GENERALES: Brindar conocimientos básicos acerca del estado actual de la automatización de reactores químicos. ESPECIFICAS:
Conocer la aplicación de cada tipo de raectores químicos.
Conocer las principales tipos de reactores.
Conocer los criterios de selección de un reacto.
3. MARCO TEORICO. 3.1.Definición de la reacción química.
Según Denbigh,K.G., Turner,J.C.R (1990), se conoce como reacción química a aquella operación unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los átomos de ciertas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan REACTOR QUÍMICO. Según Fogler,S. (1992), los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a
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cabo o desarrollar una reacción química son:
Condiciones de presión, temperatura, y composición necesarias para que los materiales entren en estado de reacción.
Las características termodinámicas y cinéticas de la reacción.
Las fases (sólido, líquido, gaseoso) que se encuentran presentes en la Reacción.
Formas de cambios químicos:
Descomposición, consiste en que una molécula se divide en moléculas más pequeñas, átomos o radicales.
Combinación, ésta se realiza cuando una molécula o átomo se une con otra especie para formar un compuesto nuevo.
Isomerización, en este caso la molécula no efectúa ninguna descomposición externa o adición a otra, es simplemente un cambio de configuración estructural interna. 3.2.Definición de reactor químico.
Según Denbigh (1968), 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. Un reactor es un tipo de motor (reacción del motor dice). Estos motores de descargan de fluidos a alta velocidad para producir un impulso siguiendo la tercera ley de Newton. Según esta ley, cada acción hay un igual y opuesta reacción. 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. Los reactores químicos tienen como funciones principales:
Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.
Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.
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Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción. 3.3.Reacción Homogénea y Heterogénea.
Las Reacciones Químicas pueden dividirse en: Reacción Homogénea involucra solo una fase. Reacción Heterogénea cuando se involucra más de una fase para que la reacción se lleve a cabo. Por lo tanto, puede involucrar más de dos fases. Entonces de acuerdo a lo anterior podemos encontrar reactores que operen con reacción homogénea u heterogénea. 3.4.Reactores homogéneos y heterogéneos.
Los reactores químicos pueden dividirse en dos categorías principales, homogéneas y heterogéneas. En los reactores homogéneos existe solo una fase, generalmente de gas o liquido; si interviene más de una reacción ha de conseguirse una mezcla de los mismos para conseguir un todo homogéneo. La mezcla de las reacciones es, con frecuencia, la forma de iniciar la reacción, si bien, en ocasión, se mezclan los reaccionantes y se llevan después a la temperatura que se desea. En los reactores heterogéneos están presentes dos, o incluso tres fases, son ejemplos corrientes los sistemas gas-liquido, gas-solido, liquido-solido y liquido-liquido. En aquellos casos en el que una de las fases es un sólido, este es con frecuencia un catalizador; los reactores catalíticos gas-solido forman, en particular, una clase importante en el sistema heterogéneo las reacciones químicas pueden ser verdaderamente heterogéneas con reacciones químicas. En un reactor catalítico gas-solido la reacción tiene lugar en la superficie del solido es, por consiguiente heterogénea; sin embargo, el burbujeo de una gas atreves de un liquido puede servir para disolver el gas en el liquido, en el que reacción de forma homogénea es necesario realizar el contacto entre fases gas-liquido. Los reactores heterogéneos presentan generalmente una mayor variedad de configuración y forma de contacto que los reactores homogéneos. 3.5.Reactor continuo y discontinuo.
Otro tipo de clasificación que permite subdividir a los reactores homogéneos y heterogéneos es el modo de operación estos pueden ser continuos y discontinuos.
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3.5.1. Reactor continúo.
Los típicos reactores continuos son recipientes agitados, ya sea de modo simple o en cascada, con tuberías de flujo de descarga. En estos sistemas todos los reactivos son continuamente cargados al reactor y los productos son continuamente descargados. Los reactores continuos se caracterizan por trabajar en condiciones estacionarias, en las que tanto el calor generado como la composición permanecen constantes durante la operación. Los procesos continuos tienen una principal ventaja, la economía de escala. La producción en gran volumen de un producto estándar generalmente proporciona una buena recuperación del capital invertido. Dado que los requerimientos de productos no cambian significativamente, el proceso necesitará mínimas modificaciones durante su vida de trabajo para mantenerse competitivo. Además los procesos continuos tienen otras ventajas, en relación a los procesos discontinuos: o
Se requiere menos espacial.
o
Se requiere menos material.
o
Se necesita menor volumen de almacenaje. 3.5.2. Reactor discontinuo.
Un reactor por lotes es un recipiente en el cual los reactivos son precargados y que se vacía cuando la reacción se ha completado. La ventaja clave es la flexibilidad de este tipo de procesos. Por eso se utilizan mayoritariamente en la industria química, alimentaria o farmacéutica, donde es muy importante ofrecer una gran variedad de productos e introducir otros nuevos muy rápidamente, ya que estos sectores industriales operan en mercados altamente competitivos. Los equipos de procesos discontinuos se diseñan para manejar un rango de operaciones y productos. La flexibilidad permite manufacturar nuevos productos sin tener que construir una nueva planta o sin tener que hacer grandes cambios de equipo. Esta flexibilidad también permite producir pequeñas cantidades de un producto sin arriesgar toda la productividad.
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En los reactores discontinuos, todos los reactivos son cargados inicialmente en el reactor y la reacción continúa entonces hasta completarse. Una desviación excesiva de la reacción, suele ser difícil de controlar. Por ello, frecuentemente para reacciones exotérmicas y para las de dos fases (gas-líquido) se utiliza una operación semi-discontinua. En éstas sólo parte de los reactivos son cargados inicialmente, y el resto de reactivos y catalizador son añadidos de modo controlado. De este modo, si ocurre una pérdida de control es posible detener la carga de reactivos. Los reactores discontinuos o por lotes se caracterizan por trabajar en condiciones no estacionarias; es decir, que durante la operación la composición y la generación de calor cambian. 3.5.3. Comparación entre los reactores discontinuos y continuos.
En la etapa de diseño de un proceso, una de las elecciones que hay que hacer es la del reactor que se va a usar. El reactor es el equipo principal de la mayoría de procesos y la elección del tipo correcto puede realmente mejorar la seguridad del proceso. La selección del tipo de proceso suele venir dada por consideraciones como, por ejemplo, el tamaño de la planta y la complejidad relativa. A escala industrial, se utilizan dos métodos de proceso: continuo y discontinuo (por lotes o batch). Un caso particular de proceso discontinuo es el llamado proceso semi-discontinuo, en el que uno de los reactivos se va adicionando de modo continuo. Las características de los reactores continuos y discontinuos se muestran en la Cuadro 1. caracteristicas
Continuo
Operación de proceso
Ocurre
Discontinuo continua
simultáneamente. Diseño de equipo, uso
Diseñado
para
y Ocurre
una
secuencia
espicifica. producir Diseñado para ser capaz de
productos específicos.
producir muchos productos.
Producto
Un flujo continuo.
Una cantidad limitada (lote).
Entorno
Usualmente estado fijo con Variable, presión, constantes.
Intervención del operador
flujo,
etc., cambiando
a
menudo notablemente
entre operaciones.
Principalmente, para corregir Necesario
regularmente
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condiciones anormales.
como
parte
de
las
operaciones de proceso. Cuadro 1: comparación entre proceso continuo y
discontinuo.
3.6.Ecuacion de rendimiento.
Según Froment y Bischoff (1990), es aquella expresión matemática que relaciona la salida con la entrada en un reactor químico, para diversas cinéticas y diferentes modelos de contacto.
Modelo de Contacto: Está referido a como los materiales circulan a través del reactor y se contactan unos con otros dentro de este, además del tiempo que necesitan para mezclarse, y las condiciones y características de la incorporación de material.
Cinética: Está referido a cuan rápido ocurren las reacciones, el equilibrio dentro del reactor, y la velocidad de la reacción química; estas factores están condicionados por la transferencia (balance) de materia y energía.
El balance de masas esta dado por la relación:
−+ − = El balance de energía esta dado por la relación:
−± ± = 3.7.Tipos de reactores quimicos
Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las 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. Reactores discontinuos.
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. Como la entrada y la salida son nulas el balance de materia queda.
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Dado que el reactor está perfectamente agitado, esto es, todos los puntos tienen la misma composición, el volumen de control para realizar el balance es todo el reactor. Evaluando los términos:
= −
Y teniendo en cuenta que NA= NA0(1-XA) resulta
= 0
Integrando se obtiene la ecuación de diseño para el reactor discontinuo:
= ∫ Si el volumen de reacción permanece constante puede expresarse en funcion de la concentracion de reactivo
= = 0∫ = −∫
reactor discontinuo o batch
Características .
Sistema cerrado.
Estado no estacionario.
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Se cargan los reactivos al inicio, se retiran los productos al fina.
Operación sencilla
Bajo costo inicial
Ventajas .
Desventajas
Tiene la desventaja de un elevado costo en su funcionamiento y de mano de obra debido a la gran cantidad de tiempo que se pasa parado debido a la carga, descarga y limpieza.
Además no siempre es posible implementar un sistema de control adecuado.
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. 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. La operación en el reactor continuo se realiza en condiciones de estado estacionario, esto es, no hay acumulación dentro del reactor. En esas condiciones desaparece el término de dependencia con la variable tiempo. Lógicamente, en el arranque del reactor o cuando suceden perturbaciones que modifican las condiciones de trabajo, es necesario tener en cuenta ese término y entonces se habla de estado transitorio. Como todos los puntos del reactor tienen igual composición y propiedades el volumen de control para realizar el balance de masa es todo el reactor; en estado estacionario queda entonces:
= + = + = (1−) + = Si se trata de un fluido que no sufre expansión ni comprensión = y puede sustituir en la expresión anterior. Suele difinirse además el parámetro = / , a veces denominado tiempo espacial (y también tiempo de residencia hidráulico), donde V es el volumen de reacción y vo el flujo volumétrico a la entrada, y que en los sistemas que estamos considerando coincide con el tiempo de residencia hidráulico. Por lo tanto la ecuación de diseño del RC puede escribirse como:
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− = = = = Reactor continuo
Los reactores continuos se instalan normalmente cuando se están produciendo grandes cantidades de un producto químico. Es importante que el reactor pueda operar durante varios meses sin detenerse. El tiempo de residencia en el reactor está definido por la tasa de alimentación de los reactivos al reactor. Por ejemplo, si un reactor tiene un volumen de 20 m3 y la tasa de alimentación de reactivos es 40 m3/h, entonces el tiempo de residencia es tr = (20/40) = 0,5 h. Es sencillo controlar con precisión la tasa de flujo de reactivos. El volumen se fija y por tanto el tiempo de residencia en el reactor está también bien controlado. El producto tiende a ser de mayor calidad en un reacator continuo debido a que los parámetros de reacción (es decir, tiempo de residencia, temperatura y presión) están mucho mejor controlados que en los proceso s discontinuos o tipo ‘batch’. También producen menos residuos y requieren un almacenamiento de materias primas y productos mucho menor resultando en una operación más eficiente. Los costos de capital por tonelada de producto producido en consecuencia son más bajos. La principal desventaja es su falta de flexibilidad una vez que el reactor se ha construido, pues sólo en casos raros se puede utilizar para llevar a cabo una reacción química diferente.
C. Reactores tubulares
Los fluidos fluyen a altas ve-locidades. Mientras los reactivos fluyen, por ejemplo a lo largo de una tubería calentada, se van convirtiendo en productos (Fig. 4). A estas altas
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velocidades, los productos son incapaces de difundirse hacia atrás y por tanto hay poco o nada de re-mezclado. Las condiciones se conocen como flujo tapón. Esto reduce la aparición de reacciones laterales y aumenta el rendimiento del producto deseado. Con una velocidad de flujo constante, las condiciones en cualquier punto permanecen constantes con el tiempo y los cambios en el tiempo de la reacción se miden en términos de la posición a lo largo de la longitud del tubo. La velocidad de reacción es más rápida en la entrada de la tubería debido a que la concentración de los reactivos está en su nivel más alto y la velocidad de reacción se reduce a medida que los reactivos fluyen a través de la tubería debido a la disminución en la concentración del reactivo. Reactor tubular
El reactor de la Figura se calienta mediante vapor de alta presión que tiene una temperatura de 470 K y se alimenta en el punto 1 y los productos salen en el punto 2. Este tipo de reactores tubulares se utiliza, por ejemplo, en el craqueo con vapor de etano, propano y butano y nafta para producir alquenos. Usos industriales.
a) Son generalmente usados para gases y vapores. b) Cuando se desea una producción continua y grande c) Para reacciones endotérmicas y exotérmicas. d) Empacados con catalizadores solidos, actúan como reactores catalíticos de cama fija. e) Empacados con un reactante solido, actúan como reactores heterogéneos sólido-gas de cama fija. Ventajas
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a) Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores intermitentes. b) Por lo general su operación es continua. c) Se facilita el control automático de la producción cuando opera en forma continua. d) Más eficiente, en general, que el reactor continuo tipo tanque, cuando opera en forma continua. Desventajas
a) su costo inicial es alto. b) No se recomienda su uso para reacciones que requieren mucho tiempo de residencia. c) El tiempo de residencia esta fijo par aun flujo dado de alimentación.
D. Reactores de lecho fijo.
Un catalizador heterogéneo se utiliza con frecuencia en la industria en la que fluyen los gases a través de un catalizador sólido (que es a menudo con forma de pequeños gránulos para incrementar el área superficial). Se describe a menudo como un lecho fijo (Fixed Bed) de catalizador. Entre los ejemplos de su uso están la fabricación de ácido sulfúrico (el proceso de Contacto con el óxido de vanadio como catalizador), la manufactura de ácido nítrico y la fabricación de amoníaco (el proceso Haber, con hierro como catalizador).
Reactores de lecho fijo
USOS INDUSTRIALES
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a) Isomerización en fase vapor. b) Para cracking tipo Houdry o ciclo versión. c) Síntesis de NH3 d) Des hidrogenación de los butanos a los butenos. e) Fabricación de oxido de etileno. f) Si se trata de un sistema sólido-fluido, se utiliza este tipo de reactor cuando su permanencia va a ser prolongada. VENTAJAS a) Simplicidad de operación. b) Bajo costo de construcción. c) Bajo costo de mantenimiento.
DESVENTAJAS a) Transferencia de calor grande. b) Difícil mantener una distribución uniforme de flujo. c) Dificultad para regenerar el catalizador. d) En lechos fijos grandes resulta difícil el control de temperatura. e) En reacciones muy exotérmicas es muy probable que se formen zonas calientes o frentes calientes móviles que puedan perjudicar al catalizador. f) No pueden emplear tamaños muy pequeños de catalizadores debido a la formación de “tapones” y a que originan pérdidas de presión elevadas.
E. Reactores de lecho fluidizado.
Un reactor de lecho fluidizado se utiliza algunas veces cuando las partículas del catalizador, que son muy finas se colocan en una placa distribuidora. Cuando los reactivos gaseosos pasan a través de la placa distribuidora, las partículas se van con los gases formando un fluido (Fig. 6). Esto asegura muy buena mezcla de los reactivos con el catalizador, con alto contacto entre las moléculas gaseosas y el catalizador y una buena transferencia de calor. Esto da lugar a una reacción rápida y una mezcla uniforme, reduciendo la variabilidad de las condiciones del proceso.
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Ejemplo
es el craqueo catalítico de aceite gaseoso para producir alquenos (eteno y propeno)
y gasolina con un alto índice de octano.
Carasteristicas:
El flujo es complejo, no es bien conocido, solo se puede estimar de forma aproximada los mecanismos de transferencia de masa, desde el punto de vista de transferencia el contacto no es muy eficiente debido a la diferencia de varias barreras físicas, esto obliga a usar una mayor cantidad de catalizador. Ventajas: o
El control de temperatura se realiza de forma más fácil, comparado con el reactor de lecho empacado.
o
La reactivación del catalizador en caso de ser necesaria es más fácil y eficiente debido a la fluidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador.
o
Este tipo de flujo es adecuado para partículas de tamaño pequeño, ideal para reacciones rápidas en donde se necesita una área de contacto grande.
DESVENTAJAS
a) Mayor costo de operación, debido a altas caídas de presión b) Erosión del equipo (abrasión).
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c) Mayor costo de mantenimiento. d) Formación de burbujas (bajas conversiones) e) Son adecuadas para emplear partículas de tamaño pequeño como catalizador. f) Atrición del catalizador.
Usos industriales:
a) Se emplean principalmente para el contacto de gases con sólidos. b) En la mayoría de los casos se emplea el tipo de lecho de fase densa. c) El tipo de fase diluida se emplea cuando es difícil mantener una distribución adecuada de tamaños para lograr una fase densa estable.
F. Reactores de tanque agitado continuos.
Según Levenspiel (1986), este tipo de reactor consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida no sea demasiada viscosa. El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior del tanque seproduzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar a cabo la reacción, y que no existan o queden espacios muertos. Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perfecta, si el tiempo de circulación de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor. Es ventajoso disponer de varios tanques en serie y que la corriente de material del proceso fluya de uno hacia el siguiente, esto da como resultado un cambio de composición escalonada entre los tanques sucesivos. Si hubiera sólo un tanque, habría pérdidas apreciables de material sin reaccionar, aunque el material que no ha reaccionado puede recircular y volver a ingresar al tanque.
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Los elementos de fluido en la corriente de entrada al reactor tienen una probabilidad P1 de permanecer en el reactor durante un tiempo T1, una probabilidad P2 de permanecer un tiempo T2, y así sucesivamente; esto da origen a una distribución de tiempos de residencia, que tiene una influencia directa en la conversión y selectividad obtenidas en un reactor. Las partes principales de este tipo de reactor son: -
El sistema de agitación.
-
Las tuberías de alimentación de react.antes.
-
Las tuberías de descarga de productos.
-
El recipiente o tanque .
-
La camisa de enfriamiento y/o calentamiento.
Esquema de un reactor tanque agitado continuo
Las suposiciones principales que se hacen respecto a este tipo de reactor son las siguientes:
La mezcla reaccionante tiene las mismas propiedades en todos los puntos del reactor.
El flujo de salida tiene las mismas propiedades que la mezcla reaccionante en el interior del reactor.
El flujo de alimentación alcanza instantáneamente las propiedades de la mezcla reaccionante.
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Estas suposiciones implican que la alimentación se mezcle con el contenido del reactor en un intervalo de tiempo mucho más corto que el tiempo promedio de residencia dentro del reactor del flujo que pasa a través de este. Las variables a controlar, por tanto, son la temperatura y el nivel dentro del tanque. Aun cuando el primer objetivo de control debería ser la concentración del producto, la temperatura dentro del reactor proporciona una gran cantidad de información sobre la dinámica de la reacción y permite realizar mayores acciones correctivas que si se controlara directamente la concentración. Un control exhaustivo de la temperatura es fundamental para minimizar las pérdidas de reactante y producto. Además, en un sistema real, la medición de temperatura resulta mucho más fácil y menos costosa que la medición de concentración, la cual involucra el uso de analizadores. En cuanto al nivel, su importancia es bastante clara y no necesita mayores justificaciones. Las perturbaciones del proceso que se van a considerar son: la concentración de entrada del reactante y el flujo de alimentación del reactante. Usos industriales
a) Son generalmente usados para líquidos. b) Cuando se desea una producción continua. c) Para reacciones medianamente exotérmicas o endotérmicas. Ventajas:
a) Su costo de operación bajo comparado con el de los intermitentes. b) Su operación es continua. c) Se facilita el control automático de la producción. d) Se tiene una sola temperatura en el sistema de reacción. Desventajas
a) Su costo inicial es alto. b) Para tiempos de residencia muy grandes, su tamaño es a la ves muy grande. c) Menos eficiente en general que el reactor tubular.
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G. 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. H. 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.
4. CONCLUSIONES
Dentro de los principales tipo de reactores están los: reactor tubular, Tanque con agitación continua, Reactor de lecho fluidizado, Reactor de lecho fijo, Reactor de mezcla perfecta, Fermentadores. Para la determinación de qué reactor se puede usar se debe tomar en cuanto el proceso donde se desea incorporar y las condición del procesos.
Se logró conocer los diferentes tipos de aplicación de cada tipo de reactores químicos principales.
Se determino que los reactores continuos utilizados con mayor frecuencia son los de tanque agitado o de mezcla completa y los reactores de flujo en pistón, a nivel industrial es uno de los mas comunes debido a su rentabilidad económica.
5. BIBLIOGRAFIA.
HENRY A. MENDIBURU DÍAZ.(2005). Diseño de un Neurocontrolador Dinámico (DBP) aplicado a un Reactor Químico Continuo (CSTR). Tesis para optar por el Título de: MAGISTER EN INGENIERÍA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN. Pontificia Universidad Católica del Perú . Cristian Giovany Gómez Olarte.( 14 de abril de 2015). Introducción al Diseño de Reactores. Escuela de Ingeniería Química.
