Reactores

01/09/2009

Introducción a los reactores químicos

Dr. Rogelio Cuevas García

Dr Rogelio Cuevas García

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Reactores Químicos

Es el dispositivo donde ocurre un cambio composición debido a la reacción química.

en

la

Por Por lo tant tanto o es cual cualqu quie ierr reci recipi pien ente te dond donde e ocur ocurre re una una reacción química. El problema de la Ingeniería de reactores es realizar el diseño más adecuado, con una metodología inde inde endi endien ente te del del tama tamaño ño reacc reacció ión n ue se llev lleva a a cabo cabo



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Reactores Químicos

Es el dispositivo donde ocurre un cambio composición debido a la reacción química.

en

la

Por Por lo tant tanto o es cual cualqu quie ierr reci recipi pien ente te dond donde e ocur ocurre re una una reacción química. El problema de la Ingeniería de reactores es realizar el diseño más adecuado, con una metodología inde inde endi endien ente te del del tama tamaño ño reacc reacció ión n ue se llev lleva a a cabo cabo



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Definiciones útiles Generales SIST SISTEM EMA A HO HOMO MOG G NEO NEO: Aquel quel que que pres presen enta ta



una sola fase y por tanto su composición es idéntica en cualquier parte del sistema.

SISTEMA HETEROGÉNEO: Cuando se requiere



la presencia de más de una fase para que la reacción se lleve a cabo.



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Definiciones útiles: 

FASE: re ión uniforme en un sistema. Esto si nifica propie propiedad dades es física físicas s unifor uniformes mes y compos composici ición ón química química uniforme.



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Definiciones útiles as n ose en as e n c ones an er ores po emos c as car os pos de reacciones en: 

REACCIÓN HOMOGÉNEA: Involucra una sola fase. 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 reacciones heterogéneas u homogéneas. Dentro de los reactores hetero éneos los reactores catalíticos, ue o eran con la presencia de catalizador, y los reactores no catalíticos. Al existir más de una fase se deben tomar en cuenta los fenómenos de transferencia de masa y energía. Dr. Rogelio Cuevas García


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Clasificación de los Reactores Químicos

Reactores homogéneos

heterogéneos

Sólido-Gas

Sólido-Gas

Líquido-Gas

Liquido-Gas

Sólido-liquido-gas

Sólido -Liquido



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Diferentes definiciones de tiempo En Ingeniería de reactores se utiliza el concepto de elemento de volumen 

donde las propiedades del mismo pueden considerarse constantes. 

El tiempo de residencia (t) de un elemento del fluido es el tiempo que permanece dentro de un recipiente. En nuestro caso, el tiempo que permanece dentro del reactor. Más específicamente, el tiempo efectivo de reacción.

En los reactores químicos, en algunas ocasiones el tiempo de residencia es igual para todos los elementos del fluido y en otras se presenta una distribución de tiempos de residencia (DTR) o RTD (por sus siglas en ingles: residence time distribution). 

El tiempo de r esidencia promedio es el promedio de los tiempos de residencia de todos los elementos de fluido.



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Diferentes definiciones de tiempo Solamente para sistemas de flujo  Tiem o es acial es el tiem o re uerido ara ue un volumen de alimentación igual al volumen del reactor pase a través del recipiente. Este parámetro se mide en condiciones arbitrarias, usualmente, en las condiciones de alimentación. El tiempo espacial es, generalmente, utilizado como una cantidad para escalar el volumen del reactor; pero las condiciones de reacción deben de ser iguales punto por punto en el escalamiento. velocidad espacial (SV) se define  Finalmente, la como el reciproco del tiempo espacial y representa, en onces, e n mero e vo menes e a men ac n que se tratan en el reactor por unidad de tiempo. Por lo tanto, sus dimensiones son: tiempo -1. Dr. Rogelio Cuevas García


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Clasificación de los Reactores Químicos

Clasificación de los rectores químicos de acuerdo al modo de operación. A uí los reactores se dividen en: a) Intermitentes, por lotes o batch.

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b) Continuos



c) Semi-continuos o reactores de flujo no estacionario.

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Clasificación de los Reactores Químicos . se realizan las siguientes operaciones: 1. Se agrega una carga de reactivos. 2. Se lleva el reactor a condiciones de operación. 3. Se mantiene a estas condiciones por un lapso de tiempo determinado (máximo días), durante los cuales se realiza la . 4. Se lleva al reactor a las condiciones necesarias para descargar el producto. 5. Se lava el reactor. Con los cinco pasos anteriores se conforma el llamado ciclo de . es la variación de las concentraciones dentro del reactor con el tiempo.



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Clasificación de los Reactores Químicos Reactores continuos . 2.

de salida de productos. Para una posición fija a través del tiempo, no varía el grado de reacción y al variar el tiempo se tienen distintas composiciones.

De estas características se deduce que .

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calidad de los productos, lo cual los hace ideales en el caso de que se desee lograr producciones grandes. Los costos de instalación y construcción son altos porque entre otras cosas, se requiere un gran sistema de control, pero los costos de operación son bajos.

Este tipo de reactores se utilizan en las industrias con altos volúmenes de producción como la refinación del petróleo.



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Elección del rector en cuanto a modo de operación Operación Intermitente

Operación Continua

Volúmenes de producción bajos.

Mayor volumen de producción.

Costos de inversión bajos: a) Construcción relativamente simple. b) Sistema de control sencillo

Costos de inversión alto a) Construcción especifica. b) Sistemas de control avanzado

Costos variables altos a) Costos de mano de obra (cargado, vaciado, limpieza, etc.)

Costos de operación bajos a) Poco (supervisión instrumental), se reducen los riegos de error (humano) de operación

ex a en a pro ucc n (diferentes productos en el mismo equipo)

spec cos por pro uc o



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Usos comunes basados en el modo de operación Operación intermitente

Operación continua

Obtención de cinéticas de reacción (debido a la fácil interpretación de los datos)

Diseño especifico

temporada)

especificaciones del producto no se alteren en gran medida a través del tiempo

Fabricación de productos de alto costo



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Estimado el % de uso de los reactores para algunas industrias Sector Industrial

Modo de operación Discontinuo

Continuo

Químico

45

55

Farmacéutico

80

20

Metalúrgico

35

65

Vidrio y cemento

35

65

Papel

15

85

Refinación

5

95



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Clasificación de acuerdo al modo de operación En los reactores se presentan dos opciones respecto al método de contacto de las corrientes de flujo corrientes del reactor se mezclen completamente (mezcla completa). 

Se evita que las corrientes de flujo se mezc en u o p s n .



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clasificación de los reactores químicos

a) Reactores Intermitentes (de mezcla completa) b) Reactores de mezcla completa (ideal) c) Reactores de flujo pistón



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Clasificación de los Reactores Químicos Clasificación de acuerdo al modo de operación

Reactor de flujo pistón

Reactores con agitación ideal



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Clasificación de los Reactores Químicos Clasificación en base a condiciones de mezclado

Reactores de Mezcla Completa (Ideal). 

Se realiza todo lo posible para tener mezcladas todas las corrientes dentro del reactor.



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Condiciones para alcanzar el mezclado cercano al ideal 1. Relación L/D

2. Velocidad de agitación 3. Viscosidad del fluido



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Clasificación de los Reactores Químicos Clasificación en base a condiciones de mezclado Reactor de flujo pistón:



No se realiza ningún intento para mezclar las corrientes de proceso.



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Clasificación de los reactores Químicos Reactor intermitente de tanque agitado. El reactor intermitente de tanque agitado conocido también, por facilidad, como Reactor Intermitente y asimismo como Reactor Batch (RB), es usado a menudo en investigaciones cinéticas dentro del laboratorio; sin embargo, también se le puede encontrar en operaciones industriales.



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Reactor intermitente (RB) 

Reactores intermitentes de laboratorio



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Reactores intermitentes industriales



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Reactores intermitentes industriales

Tomado de Wallas, diseño de equipo de proceso.



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Reactor Intermitente (RB) Si consideramos detenidamente la forma en que se opera este reactor obtenemos como sus principales características a las si uientes: 



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El reactor intermitente es un sistema cerrado; por lo tanto la masa total del mismo es constante. El tiempo de residencia (t) de todos los elementos del fluido es el mismo. a operac n e este t po e reactor es n erentemente en estado no estacionario; pues las concentraciones cambian con el tiempo.

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Reactor Intermitente (RB) Sin embargo, y debido a la agitación puede asumirse ue la com osición la tem eratura son homo éneas dentro del reactor. Lo anterior implica que puede considerarse a todo el reactor como el elemento de volumen 

La energía dentro de cada “carga” cambia (de acuerdo a como se esta llevando a cabo la reacción). Es posible la adición de un intercambiador de calor para controlar la temperatura. 



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Reactores de mezcla completa



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Reactor ideal de mezcla completa (CSTR) Reactor ideal de mezcla completa: am n conoc o como: eac or e mezc a comp e a e flujo continuo, reactor de tanque agitado y por sus siglas en ingles CSTR (Continuos Stirred Tank Reactor), CFSTR (Continuos Flow Stirred Tank Reactor), C*.



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Reactor de mezcla completa (CSTR) Debido a las propiedades del flujo este reactor presenta las siguientes características: 1. Dado que se presenta una agitación eficiente y el fluido dentro del

recipiente esta uniformemente mezclado (por tanto, todos los elementos de fluido están uniformemente distribuidos), todos los elementos del fluido tienen la misma probabilidad de abandonar el reactor en cualquier tiempo.

2. Existe una distribución de tiempos de residencia (RTD). Dicha

distribución puede apreciarse intuitivamente considerando lo siguiente: (i) Un elemento de fluido puede moverse directamente desde la entrada a la salida, puede existir un tiempo de residencia muy corto. (ii) Otro elemento del fluido puede participar en el movimiento de de residencia largo. Dicha distribución puede representarse matemáticamente



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Reactor de mezcla completa (CSTR). .

omo consecuenc a e a ag tac n eficiente las propiedades (concentración, temperatura y rapidez de reacción) dentro del reactor son uniformes. Se puede observar ue la corriente de salida también presenta las mismas propiedades que el fluido dentro del recipiente.

4. Como consecuencia de (3) debe existir un cambio en escalón desde el va or e en ra a a va or e sa a e cualquier propiedad del sistema.



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Reactor de mezcla completa (CSTR). .

a ens a en e s stema e u o no es necesar amente constante. Es decir la densidad de las corrientes en la entrada puede ser diferente de la densidad en las corrientes de salida.

5.

Puede adicionarse un intercambiador de calor para controlar la temperatura.



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Corte de reactor CSTR industrial



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Ejemplos reactores CSTR industriales



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Nitrador Hough de hierro fundido con túneles exteriores (Grogins(1), cortesia McGrawoo company, ew, or



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Control de temperatura en reactores CSTR

(a) enchaquetado, (b) serpentín interno, (c) tubos internos, (d) intercambiador de calor externo, (e) condensador externo con reflujo, (f) calentador a fuego directo. Dr. Rogelio Cuevas García


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Reactores de flujo pistón (PFR)



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PFR (Plug Flow Reactor).



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Reactor de Flujo pistón (PFR)



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Reactores de flujo pistón (PFR) 

Reactor de Flujo Pistón:

No se realiza ningún intento para mezclar las corrientes de proceso.



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Ejemplos de reactores de flujo pistón industriales Horno de Schoenherr ara la obtención de NO a partir del aire



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Reactor de flujo pistón



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Reactores de flujo pistón (PFR) o ex s e mezc a o ax a e u o en ro e recipiente.  2) Las propiedades del fluido, incluyendo la velocidad de flujo, en el plano radial (perpendicular al sentido de flu o son uniformes. Esto uede lograrse si existe un mezclado completo en esa dirección.  3) La densidad de las corrientes puede cambiar en la dirección del flujo.  4) Puede existir transferencia de calor a través de las paredes del reactor. 



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Reactores de flujo pistón (PFR). as consecuenc as e mo e o que presenta esas características son las siguientes: (a). Todos los elementos de fluido presentan el mismo tiempo , . dispersión en los tiempos de residencia. 

(b). Las propiedades del sistemas (tómese C A, por ejemplo) cambian continuamente 

en la dirección del flujo.



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

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c . n a recc n ax a z , cua qu er porc n de fluido se comporta como un sistema cerrado en movimiento. Esto es, no intercambia material con porciones de fluido . (d) El volumen de un elemento no es necesariamente constante cuando circula a lo largo del recipiente. El cambio de volumen , de moles debido a la reacción. Dr. Rogelio Cuevas García


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Desviaciones al comportamiento ideal Reactores PFR

boquillas de entrada



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