Reactor químico Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, se abla de biorreactores biorreactores.. !l diseño de un reactor químico requiere conocimientos de termodin"mica, cinética química, transferencia de masa y energía, así como de mec"nica de fluidos# fluidos# balances de materia y energía son necesarios. $or lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación, adem"s con base en los par"metros de diseño se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones, por e%emplo un salto en escalón en la composición de entrada.
Índice &ocultar'
()ipos de reactores químicos
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o
(.(Seg*n el modo de operación
o
(.+Seg*n el tipo de flu%o interno
o
(.Seg*n las fases que albergan
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+-eactor atc
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-eactor continuo de tanque agitado /-0)12
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3-eactores en flu%o pistón /$4-2
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5-eactores eterogéneos
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6-eactor catalítico
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7-eactores no ideales
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89éase también
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:-eferencias
Tipos de reactores químicos &editar ' !xisten varias formas de clasificarlos;
Según el modo de operación&editar ' •
-eactores discontinuos; son aquellos que traba%an por cargas, es decir se introduce una alimentación, y se espera un tiempo dado, que viene determinado por la cinética de la reacción, tras el cual se saca el producto.
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-eactores continuos; son todos aquellos que traba%an de forma continua.
Según el tipo de flujo interno&editar ' •
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-eactores ideales; suelen ser descritos con ecuaciones ideales sencillas y no consideran efectos físicos m"s comple%os o perturbaciones pequeñas. -eactores no ideales; consideran el patrón de flu%o, la existencia de zonas muertas dentro del reactor donde el material no circula, adem"s consideran una din"mica de fluidos m"s comple%a, suelen describirse conociendo la cinética de las reacciones, la -)< /distribución de edad del fluido2 del flu%o, el tipo de mezclado pudiendo ser este tardío o inmediato, y conociendo si el tipo de fluido es micro o macro fluido.
Según las fases que albergan&editar ' •
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-eactores omogéneos; tienen una *nica fase, líquida o gas. -eactores eterogéneos; tienen varias fases, gas=sólido, líquido=sólido, gas=líquido, gas=líquido=sólido.
>dealmente, pueden suponerse tres tipos de reactores omogéneos;
Reactor Batch &editar '
símbolo reactor atc
9ista de un recipiente de agitación esmaltado
)raba%an en estado no estacionario y el m"s sencillo sería un tanque agitado. !ste reactor tiene la venta%a de que su costo de instrumentación es ba%o, adem"s de ser flexible en su uso /se le puede detener de modo f"cil y r"pido2. )iene la desventa%a 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# 1dem"s no siempre es posible implementar un sistema de control adecuado. !ste reactor suele usarse en pequeñas producciones o pruebas piloto. 1sumiendo que en un reactor batc la composición es uniforme en cualquier instante y bas"ndose en la selección de un componente limitante# ?as ecuaciones de diseño para este
tipo de reactor en estado estacionario se deducen de la siguiente forma /se toma como e%emplo la especie molar 12;
(
Siendo 9 el volumen del fluido en el reactor y la velocidad de reacción para el componente limitante. !valuando los términos de la ecuación anterior se puede calcular el tiempo de residencia necesario para alcanzar la conversión deseada.
donde @ representa la conversión lograda y est" relacionada con la concentración, est"n relacionadas por;
@ toma un valor entre A y (
$ara aquellas reacciones en las que el volumen de la mezcla cambia proporcionalmente a la conversión la ecuación se transforma en
Siendo una constante representativa del cambio del volumen en relación con la conversión, en términos matem"ticos;
para cambios en otros componentes se tiene;
1parte del tiempo de reacción, en un proceso industrial debe añadirse el tiempo de carga, descarga y limpieza para un este tipo de reactores y en general procesos en lotes. !l balance de energía para este tipo de reactor ofrece posibilidades que dependen
del modo de operación y de las exigencias de producción requeridas. •
modo politrópico;
•
modo isotérmico;
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modo adiab"tico; 1l mencionar servicio se ace referencia a los servicios térmicos, como e%emplo se puede mencionar el sistema de calentamiento por vapor, o el uso de un intercambiad or de caqueta en un recipiente.
Reactor continuo de tanque agitado (RCTA) &editar ' !stos reactores traba%an en estado estacionario, es decir, que sus propiedades no varían con el tiempo. !ste modelo ideal supone que la reacción alcanza la m"xima conversión en el instante en que la alimentación entra al tanque.
!s decir, que en cualquier punto de este equipo las concentraciones son iguales a las de la corriente de salida. 1dem"s para este tipo de reactor se considera que la velocidad de reacción para cualquier punto dentro del tanque es la misma y suele evaluarse a la concentración de salida. $ara este reactor suele asumirse que existe un mezclado perfecto, en la pr"ctica esto no es así, pero puede crearse un mezclado de alta eficiencia que se aproxima a las condiciones ideales. !l balance de materia para este reactor en términos molares es el siguiente.
represe nta el flu%o molar de la especie indicad a en el
subindic e, est" relacion ado con el flu%o volumét rico
s u p o n i e n d o q u e e l s i s t e m a o p e r a e n e s t a d o e
s t a c i o n a r i o , e l c a m b i o d e c o n c e n t r a c i ó n m o l a r t i e n d e
a c e r o . ! n t é r m i n o s d e c o n v e r s i ó n m o l a r y t o m a n d o c o m
o e % e m p l o l a e s p e c i e r e a c c i o n a n t e 1 d e c o e f i c i e n t e e s
t e q u i o m é t r i c o i g u a l a ( . ! l b a l a n c e s e r e d u c e a
una posterio r
simplific ación matem" tica muestra ;
!l diseño de operaciones tanto en sistemas 0S)como en reactores $4usualmente es deseado determinar el Btiempo de residenciaC /representado por la letra y dimensionalmen te se mide en segundos 2 y el factor de escala /representado por la letra S2, este *ltimo expresado como el volumen por unidad de masa del producto, los problemas de optimización se enfocan en reducir tanto como S, esto se logra manipulando la relación de concentración entre los reactantes. para 0S)-
!ste tipo de reacto resulta muy atracti para estudios ciné debido a su simpli
del c"lculo característica. ?a configuración ó para este tipo de r depende de par" ?a inversión en ca en equipo es impo pero los costos de energía y el costo producto es factor determinante, el u reactores en bater muy com*n en la industria debido a suele ser rentable. alance de energía;
Reactores e (PFR)&editar '
Scematic diagram
!stos reactores tr estacionario. !s d en un punto deter constantes con el supone un flu%o id conversión es fun este tipo de reacto fluido varia de un la dirección del flu% balance para un c o las reacciones q
debe realizarse en diferencial de volu alance de materi
pero
y
1 fin de encontrar l expresión, conside constante, sustituy general, agrupand
Se puede observa E4-, la velocidad reacción comple%o series de Simpson el uso de softDare -especto al balan alance de energía /reactor cilíndrico2;
Reactores h !xiste un tipo esp diferentes, adem" comple%os, la difer de transferencia ta presentes m"s de
Reactor cat Suelen ser de dos reacción de interé
?os reactores de l •
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!l flu%o es comple%o, 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. !l control de temperatura se realiza de forma m"s f"cil, comparado con el reactor de leco empacado. ?a reactivación del catalizador en caso de ser necesaria es m"s f"cil y eficiente debido a la fluidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador. !ste tipo de flu%o es adecuado para partículas de tamaño pequeño, ideal para reacciones r"pidas en donde se necesita una "rea de contacto grande.
!l reactor de leco •
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?a regeneración del catalizador requiere del uso de gases# !s com*n usar un sistema de re=circulación a fin de aumentar la eficiencia de reactivación !ste sistema presenta dificultades en el control de temperatura debido a la formación de zonas calientes y frías en el interior del leco. Fo se puede usar un tamaño de catalizador pequeño debido a la formación de tapones y caídas de presión. alance de materi difusión radial, el b
+
0ondiciones límite; , alance de energí
0ondiciones límite; ,
