SELECCIÓN DE REACTORES QUÍMICOS. Transcrito por Mauricio Martínez Martínez Rodríguez de una una tesis de curso especial de titulación con fecha de diciembre de 1989.
INSTITUTO TECNOLOGICO DEORIZABA
P á g i n a | 1 Tabla de contenido
PRÓLOGO PRÓLOGO ............................................................................................................................................
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1. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 3 1.1 El reactor químico y la reacción química ...................................................................................... 3 1.2 Reactores ideales .......................................................................................................................... 4 1.3 Reacción continua y discontinua ................................................................................................... 5 1.4 Factores que afectan la operación. ............................................................................................... 6
2. CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUÍMICOS QUÍMICOS ............................................................................ 9 2.1 Aspectos mecánicos o detalles de construcción ........................................................................... 9 2.2. Intercambio de materiales con su medio ambiente .................................................................. 18 2.3. Clasificación de acuerdo a las fases presentes ........................................................................... 23 2.4. Clasificación en base a la presencia de catalizadores ................................................................ 25 2.5. Clasificación Clasificación en base a su temperatura de operación ...................... ............................... .................. .................. .................. .............. ..... 34 2.6. Reactores especiales .................................................................................................................. 35
3. SELECCIÓN DE REACTORES QUÍMICOS QUÍMICOS ........................................................................................ 37 3.1. Selección de equipo de proceso ................................................................................................. 37 3.2. Especificaciones para un reactor químico .................................................................................. 40 3.3. Factores que influyen en la selección del tipo de reactor ......................................................... 41 3.4. Factores técnicos ........................................................................................................................ 42 3.5. Factores sociales ........................................................................................................................ 49 3.6. Factores económicos .................................................................................................................. 50 3.7. Usos industriales de los reactores químicos .............................................................................. 60 3.8. Ventajas de los reactores químicos ............................................................................................ 61 3.9. Desventajas de los reactores químicos ...................................................................................... 61
4. PROBLEMAS DE APLICACIÓN APLICACIÓN ....................................................................................................... 63 Conclusiones Conclusiones .....................................................................................................................................
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Bibliografía Bibliografía ........................................................................................................................................
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P á g i n a | 1 Tabla de contenido
PRÓLOGO PRÓLOGO ............................................................................................................................................
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1. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 3 1.1 El reactor químico y la reacción química ...................................................................................... 3 1.2 Reactores ideales .......................................................................................................................... 4 1.3 Reacción continua y discontinua ................................................................................................... 5 1.4 Factores que afectan la operación. ............................................................................................... 6
2. CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUÍMICOS QUÍMICOS ............................................................................ 9 2.1 Aspectos mecánicos o detalles de construcción ........................................................................... 9 2.2. Intercambio de materiales con su medio ambiente .................................................................. 18 2.3. Clasificación de acuerdo a las fases presentes ........................................................................... 23 2.4. Clasificación en base a la presencia de catalizadores ................................................................ 25 2.5. Clasificación Clasificación en base a su temperatura de operación ...................... ............................... .................. .................. .................. .............. ..... 34 2.6. Reactores especiales .................................................................................................................. 35
3. SELECCIÓN DE REACTORES QUÍMICOS QUÍMICOS ........................................................................................ 37 3.1. Selección de equipo de proceso ................................................................................................. 37 3.2. Especificaciones para un reactor químico .................................................................................. 40 3.3. Factores que influyen en la selección del tipo de reactor ......................................................... 41 3.4. Factores técnicos ........................................................................................................................ 42 3.5. Factores sociales ........................................................................................................................ 49 3.6. Factores económicos .................................................................................................................. 50 3.7. Usos industriales de los reactores químicos .............................................................................. 60 3.8. Ventajas de los reactores químicos ............................................................................................ 61 3.9. Desventajas de los reactores químicos ...................................................................................... 61
4. PROBLEMAS DE APLICACIÓN APLICACIÓN ....................................................................................................... 63 Conclusiones Conclusiones .....................................................................................................................................
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Bibliografía Bibliografía ........................................................................................................................................
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P á g i n a | 2 PRÓLOGO. El tipo de problema industrial al que nos referimos en este trabajo es: como elegir el tipo de reactor para una reacción química determinada. Cuando el ingeniero químico se enfrenta a un problema de este tipo, generalmente tiene que considerar prefijadas dos cosas: la escala de operación y la cinética de la reacción. A partir de estas tiene considerable libertad de elección, puede adoptar un proceso discontinuo o uno de los diversos tipos de procesos continuos; dentro de ciertos limites puede elegir las temperaturas y presiones de operación; así como los valores que crea mas convenientes para la concentración inicial de los reaccionantes. La finalidad del presente trabajo es mostrar los casos a seguir en la selección de un reactor químico. Se incluye información que es útil para otro tipo de equipo. Después de la introducción, en el capitulo segundo se muestra una clasificación de los reactores químicos hecha en base a lo investigado; se describen también sus características principales. El capitulo tercero es el tema central de este trabajo, incluye información sobre los factores mas importantes a considerar en la selección de reactores químicos, así, como sus ventajas y desventajas, al igual que sus usos industriales lo cual facilita la selección. El ultimo capitulo pretende mostrar por medio de todo lo descrito en los primeros capítulos y tema central en que se lleva a cabo la selección de los costos de los reactores químicos. El seleccionar equipo requiere de muchos factores y de un criterio que se logra por medio de conocer todas las variables a intervenir en el proceso. En este trabajo se describen los factores y variables a tomar en cuenta cuando se requiere llevar a cabo una cierta reacción.
CAPITULO I. INTRODUCCION. INTRODUCCION.
P á g i n a | 3 1.1. El reactor químico y la reacción química. En la actualidad los procesos químico-industriales se han de proyectar para obtener económicamente un determinado producto, a partir de diferentes materias primas, que se someten a etapas diferentes de tratamiento como: Etapas de tratamiento físico para ponerlas en la forma en que pueden reaccionar químicamente, y a continuación pasan al reactor. Los productos de reacción han de someterse después a nuevos tratamientos físicos (separaciones, purificaciones, etc.) para obtener el producto deseado. En efecto la transformación de unos productos en otros de mayor utilidad tiene lugar a través de transferencia de calor y materia dependiente de la termodinámica, cinética y mecanismos de la propia reacción química. Un reactor químico es un aparato que proporciona un espacio, aislado de los alrededores, donde la reacción química puede tener lugar en condiciones deseadas de temperatura, presión y concentración. Las reacciones químicas como se realizan en condiciones industriales son casi siempre complejas. En un sistema de reactor existirá la reacción principal, o deseada, junto con una o mas reacciones secundarias. Las reacciones secundarias producen subproductos indeseables y reducen así el rendimiento de la reacción. La corriente producto del reactor debe tratarse de modo que se separe y se verifique la materia prima que no ha reaccionado y el producto deseado. La materia prima no reaccionada puede recircularse al reactor, el producto deseado se procesa posteriormente, y el subproducto no deseado se recupera y se dispone del mismo de alguna manera. Una reacción química tiene diversas variables importantes: 1. La cinética de las reacciones. La velocidad con que los productos químicos reaccionan es la característica más importante para seleccionar un reactor. Las velocidades de las diversas reacciones dependen normalmente fuertemente de la temperatura y de la composición. La velocidad de reacción se define formalmente como el cambio de numero de moles de un componente con respecto al tiempo, por unidad de volumen de mezcla reaccionante. Esta cantidad es negativa cuando es reaccionante y positiva cuando se tr ata de un producto. La velocidad de reacción se escribe normalmente en la forma:
y
Se conocen muchas formas diferentes de la reacción general. Un análisis matemático exacto es normalmente bastante complejo y, con frecuencia, estos análisis se restringen a formas más sencillas. En muchos casos existe poca diferencia con la forma exacta utilizada, y un análisis sencillo es normalmente suficiente.
P á g i n a | 4 Con objeto de determinar las constantes A y E en la ecuación para k es necesario tener dato de velocidad de reacción para dos o mas temperaturas. Estos se disponen raramente, y cuando existen, con frecuencia es difícil saber el mecanismo exacto de la reacción. Como consecuencia no es frecuente que un conocimiento preciso de A y E exista. Para muchos casos de selección de reactores químicos no es necesario este conocimiento. Sin embargo, es muy bueno disponer de datos de velocidad de reacción para dos o más temperaturas. 2. El efecto calorífico de la reacción. Casi todas las reacciones químicas tienen un efecto calorífico. Con frecuencia, este efecto calorífico es importante y un r eactor debe diseñarse de modo que suministre o acepte calor. El producto de la velocidad de reacción y el efecto calorífico de la reacción es una característica de la reacción de gran importancia debido a que este valor determina el tamaño y la forma del área de transmisión de calor asociada con el reactor. 3. La naturaleza corrosiva de los materiales reaccionantes. Obviamente esto determina el tipo de material de construcción del reactor, y esto a su vez, tiene un efecto importante en el diseño y coste del reactor. Respecto a esto, en la construcción de los reactores se emplean técnicas diversas. Para presiones muy elevadas se utilizan tanto la foja y el laminado como el torno y la autógena. A temperaturas elevadas, a veces se necesitan revestimientos aislantes para reducir la temperatura de la armadura metálica y permitir así el empleo de paredes mas finas. También pueden enfriarse las paredes por circulación de la carga fría a través de un espacio anular, o bien por enfriamiento externo. El enfriamiento es necesario a veces para hacer mínima la corrosión; así en la preparación de cloruros metálicos a temperaturas elevadas, los reactores están aislados con un espesor considerable de material cerámico; pero como hay siempre la posibilidad de fugas, es conveniente enfriar también las paredes de acero hasta temperaturas inferiores a 320 0C por medio de chorros externos de aire; de otro modo, el acero puede quemarse por acción del cloro. 4. El valor económico relativo de los reactantes, productos y subproductos.
1.2.Reactores ideales. Hablaremos en breve de estos tres tipos de reactores, ya que estos son relativamente fáciles de estudiar, a la vez que suelen representar el mejor modo de poner en contacto los reactantes, sin que importen las condiciones de operación. Por estas razones se tratan de diseñar los reactores reales de tal manera que sus flujos se aproximen a los de estos modelos ideales. REACTOR DISCONTINUO. Los reactantes se introducen en el reactor se mezclan, se deja que reaccionen un tiempo determinado, y finalmente se descarga la mezcla resultante. Es esta operación de tipo estacionaria en la que la composición va variando con el tiempo, aunque en cada instante es uniforme en todos los puntos del reactor.
P á g i n a | 5 REACTOR DE TIPO FLUJO EN PISTON. También se conoce como reactor de flujo de tapón, de flujo tubular ideal, y de flujo uniforme; por lo general se le denomina reactor de flujo en pistón y a su modelo de flujo se le designa por flujo en pistón. Se caracteriza por que el flujo del fluido a través de él es ordenado, sin que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después de aquel; en realidad, en este reactor puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca ha de existir mezcla o difusión a lo largo de la trayectoria del flujo. La condición necesaria y suficiente para que exista flujo en pistón es que el tiempo de residencia en el reactor sea el mismo para todos los elementos del fluido. REACTOR DE MEZCLA COMPLETA. Llamado también reactor de retro mezclado, reactor ideal de tanque con agitación, o reactor CFSTR (Constant Flow Stirred Tank Reactor), y como su nombre lo indica, es el reactor en el que su contenido esta perfectamente agitado, y su composición en cada instante es la misma en todos los puntos del reactor. Por consiguiente la corriente de salida de ese reactor tiene la misma composición que la del fluido contenido en el mismo. A este tipo de flujo le denominaremos flujo en mezcla completa, y el reactor correspondiente reactor de flujo en mezcla completa. En la figura 1.2.1. Se pueden apreciar los tres tipos de reactores ideales
1.3.Reacción continua y discontinua. Ciertos productos obtenidos en cantidades mas bien pequeñas (productos farmacéuticos, colorantes y otros) se fabrican discontinuamente. En una fabrica de este tipo de productos, uno puede sorprenderse por la presencia de centenares de autoclaves, cada uno de ellos utilizado para producir una tonelada de un producto un día y una tonelada de otro producto completamente diferente al día siguiente. Un sistema así ofrece una gran flexibilidad, especialmente cuando la citada fábrica tiene una gama de cientos e incluso miles de productos cada uno producido en una escala más bien pequeña. Otra ventaja de la operación discontinua es que el costo de capital es a menudo menor que el correspondiente proceso continuo. Por esta razón el sistema adecuado
P á g i n a | 6 para nuevos procesos que en una etapa de desarrollo mas avanzada funcionaran en forma continua. Las razones por las que el proceso continuo se adopta finalmente, en la mayoría de las industrias químicas de gran escala son principalmente estas: a) Disminución del costo de trabajo (es decir, menor mano de obra en el crudo lenguaje de la administración). A causa de la eliminación de ciertas operaciones, tales como el repetido llenado y vaciado de recipientes discontinuos. b) Facilidad de control automático. También esto reduce costos de trabajo, aunque generalmente requiere un considerable costo de capital. c) Mayor constancia en las condiciones de la reacción y por tanto, mayor constancia en la calidad del producto. La correcta elección entre la reacción continua y discontinua depende mucho de la magnitud de los costos de trabajo en relación a los de capital. Lo que es mejor par aun país muy industrializado no lo es necesariamente para otro que lo este menos. Ahora podemos preguntarnos cual es la diferencia científica, en contraposición con la económica, entre la reacción continua y discontinua. La cinética de las reacciones se estudia generalmente en el laboratorio en condiciones discontinuas pero la aplicación de los resultados al diseño de un proceso continuo no implica nuevos principios de cinética, puesto que los cambios moleculares son los mismos. La diferencia estriba en la existencia de un estado de flujo en el proceso continuo, y esto puede ocasionar cambios importantes de carácter macroscópico. En particular, no todas las moléculas que pasan a través del sistema fluyente tendrán necesariamente igual tiempo de residencia, ni tendrán la misma historia en cuanto a los cambios de concentración o temperatura. A estos factores pueden causar cambios considerables de rendimiento o de velocidad media de reacción, en comparación con un proceso discontinuo. Es especialmente el caso cuando la reaccionó se complica por la existencia de las reacciones secundarias. Aquí el rendimiento del producto deseado puede diferir considerablemente entre las operaciones continua y discontinua, y también entre los dos tipos principales de procesos continuos. El rendimiento de la reacción no es necesariamente mas bajo para el proceso continuo (en algunos casos puede ser mas elevado). Sin embargo en ejemplos donde es mas bajo, este factor puede contrapesar las ventajas normales de la operación continua de modo que favorezca al sistema discontinuo. 1.4.Factores que afectan la operación. La diferencia de comportamiento entre una reacción continua y discontinua se puede analizar en función de los siguientes factores: a) Diferencias en distribución de tiempo y residencia. b) Diferencias en historia de la concentración. c) Diferencias en historia de la temperatura El primero de todos se refiere a los tiempos de residencia y su variación. Mientras en la reacción discontinua todos los elementos del fluido reaccionan en el mismo periodo de tiempo, ello no
P á g i n a | 7 sucede en ninguno de los procesos continuos. En el caso del C.S.T.R. el factor que da lugar a los distintos tiempos de residencia para las diferentes moléculas es el comportamiento como si hubiese mezcla perfecta. El reactor tubular (excepto cuando se aplica la condición límite de flujo de pistón) los tiempos de residencia de moléculas o de elementos del fluido individuales se distribuyen análogamente en un cierto intervalo de valores. Una de las causas es la variación de la velocidad del fluido en una sección recta, es decir, el hecho de que algunos elementos del fluido se muevan más rápidamente a través del reactor que otros. Otra causa es la difusión (molecular o turbulenta), y esto ocurre tanto en dirección del flujo como en dirección normal. El efecto de la difusión longitudinal es reducir el tiempo medio de residencia de las moléculas reaccionantes y también aumentar el intervalo de los tiempos de residencia. La difusión lateral actúa en dirección opuesta y tiende a aproximar el comportamiento del sistema en flujo de pistón. Siempre que ocurren estas variaciones de tiempos de residencia aparecen varias consecuencias importantes. Una de ellas es un aumento en el tamaño necesario de reactor para una producción y una eficiencia de conversión dadas. Es obvio que, si una fracción apreciable del reaccionante pasa a través del reactor en un tiempo mucho mas corto que el valor medio de paso (también llamado tiempo de permanencia) tiene que ser aumentado para dar esa fracción de reactante oportunidad de reaccionar mejor. Otras consecuencias importantes aparecen en tipos especiales de procesos; en ciertos tipos de reacciones de polimerización aumenta el intervalo de pasos moleculares en el producto; en un proceso de cristalización hay un aumento similar en el intervalo de los tamaños de partículas; y en ciertos tipos de cinéticas química puede reducirse el rendimiento del producto deseado. El significado de la historia de la concentración no es quizá el mismo que la distribución de tiempos de residencia aunque los dos factores están relacionados. El ultimo esta determinado por la fluido dinámica del sistema y por la presencia de la difusión y de la mezcla; el primero depende parcialmente de estos factores, pero también de la presencia de la reacción misma; cada tipo de reacción traza su propia y peculiar clase de historia. Mientras en un proceso discontinuo o tubular las concentraciones de los reaccionantes cambian continuamente, en un C.S.T.R. que comprenda varios tanques en serie las concentraciones cambian discontinuamente; es decir, hay un cambio brusco desde un tanque al siguiente. Además la altura de las etapas esta determinada por la propia reacción, así como el tamaño de los tanques. Cuanto mayor sea el orden de la reacción, mayor es la fracción de la conversión total que tiene lugar en los primeros tanques de la serie, en que las concentraciones de las reacciones son mas elevadas. Así la altura de las ultima etapas, disminuye con la reacción a las primeras. Como consecuencia de ello es posible que por dos diferentes tipos de procesos continuos tener la misma distribución de tiempo de residencia (referida a su sustancia mezcladora) y tener sin embargo, diferentes historias de concentración y diferentes comportamientos. En resumen el comportamiento del reactor como tal depende de la historia de la concentración, pero esta se origina por la propia reacción, así por el tipo de flujo que exista dentro del sistema.
P á g i n a | 8 La historia de la temperatura tiene lugar naturalmente en efectos mayores que la historia de la concentración, y ello es particularmente importante en reactores tubulares de lecho fijo. El fluido se mueve cerca del eje de un reactor puede pasar a través de una secuencia de temperaturas completamente diferentes a las del fluido que se mueve mas cerca de la pared. La composición global del fluido a la salida es, consecuentemente, función de lo que es virtualmente un numero infinito de diferencias de historia.
P á g i n a | 9 CAPITULO II. CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUIMICOS.
Aspectos mecánicos o detalles de construcción Intercambio de materiales con su medio ambiente. Fases presentes
CLASIFICACION DE LOS REACTORES QUIMICOS.
Reactor tipo tanque Reactores tubulares Reactores continuos Reactores discontinuos Reactores semicontinuos Reactores homogéneos Reactores heterogéneos Reactores cataliticos
Presencia de catalizadores
Reactores autocatalíticos Reactores no catalíticos Reactores isotérmicos Reactores pseudoisotérmicos
Temperatura de operación.
Reactores no isotérmicos Reactores adiabáticos
Reactores especiales
Reactores no adiabáticos
2.1. Aspectos mecánicos o detalles de construcción. Tomando en cuenta la forma de los reactores podemos clasificarlos de la forma siguiente: REACTOR TANQUE. Este es quizá el tipo de reactor de más uso común en la industria química. En la mayoría de los casos, esta equipado con algún medio de agitación (por ejemplo, centrifugación, oscilación o sacudidas) así como elementos para la transferencia de calor (por ejemplo, intercambiadores de calor de cubierta externos e internos). Esta clase admite tanto la operación discontinua como la continua en amplias gamas de temperaturas y presiones. Con la excepción de líquidos muy viscosos, el tanque con agitación produce un mezclado casi perfecto (por retro mezclado). En una operación continua se pueden conectar en serie varios reactores de este tipo. También existen depósitos de reacción unitarios de funcionamiento continuo, divididos en cierta cantidad de compartimientos, cada uno de los cuales equivale a un tanque con agitación. REACTOR TUBULAR. Este tipo de reactor se construye ya sea de un solo tubo continuo o varios tubos en paralelo. Los reactivos penetran por un extremo del reactor y el producto sale por el otro, con una variación continua en composición de la mezcla de reacción entre estos dos puntos. La transferencia de calor hacia el reactor o desde este, se logra por medio de una camisa o un
P á g i n a | 10 diseño de tubos del reactor pueden estar empacados con gránulos de catalizador o solidos inertes. El reactor tubular tiene aplicación en los casos en los que es indispensable el retro mezclado en la dirección del flujo. Las reacciones tales como la disociación catalítica de hidrocarburos, la conversión de aire en NO, y la oxidación de NO en NO2, son ejemplos de la aplicación de este genero de reactores. 2.1.1. Reactores tipo tanque con agitación. La agitación se logra por medio de agitadores de formas diversas (principalmente turbinas o hélices), o bien por circulación forzada por una bomba externa o sumergida. Los reactores pequeños pueden agitarse por vaivén, por sacudidas o por volteo de todo el recipiente. El diseño del sistema de agitación incluye el numero, tamaño y posición de los agitadores y tabiques deflectores. a manera de orientación la eficacia de agitación puede expresarse en función de la potencia suministrada a la unidad de volumen de los reactantes como sigue: Intervalo de agitación Potencia suministrada, CV/m3
Moderada 0.12-0.25
Vigorosa 0.60
Intensa Mas de 1.25
Desde el punto de vista de eficacia de un reactor, la agitación vigorosa en un reactor continuo tipo tanque con agitación proporcionara un 90 % de la conversión que se lograría con mezcla perfecta. Entre los dispositivos para lograr la transmisión de calor se incluyen paredes encamisadas, serpentines internos y cambiadores de calor externos. El calentamiento también puede efectuarse por contacto directo o eléctricamente. Si la reacción transcurre con desprendimiento de vapores, para su enfriamiento debe emplearse un condensador de reflujo. La elección del dispositivo de calefacción depende de la facilidad con que se ensucie la superficie y la consiguiente frecuencia de limpieza, el área de superficie necesaria, las posibilidades de averías por fugas del agente de transmisión del calor y la temperatura y presión del mismo. Como el área de transmisión tiene un valor moderado, resulta mas conveniente el empleo de la camisa de calefacción. Para mejorar las condiciones de transmisión, la camisa puede estar dispuesta de forma que el agente de transmisión siga un recorrido en espiral y fluya a una velocidad elevada. En algunos recipientes se ha fundido el serpentín de transmisión de calor en el interior de las paredes, lo que permite el empleo de agentes de transmisión de calor a presión elevada.
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En la figura 2.1 es posible apreciar las formas en que se puede llevar a cabo la transmisión de calor en los reactores de tanque con agitación. Los reactores cilíndricos son los mas corrientes, predominando los de tipo vertical. Los reactores verticales se utilizan en los siguientes casos: a) Para tratamiento de suspensiones o lodos. b) Cuando se desea gran área de superficie libre de liquido con miras a la evaporación o a la absorción de gases. c) Cuando es perjudicial la elevación en el punto de ebullición debido a la carga hidrostática. d) Cuando se tratan materiales viscosos. En los reactores verticales con agitación, la altura del liquido es aproximadamente igual al diámetro del recipiente; si se desea que la altura sea mayor, será necesario el empleo de una bomba de circulación o de varios agitadores con deflectores especiales. En la figura 2.2. podemos apreciar un tipo de reactor vertical, y en las figuras 2.3. y 2.4 los reactores horizontales.
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Los reactores continuos de tanque con agitación de múltiples etapas; son tan corrientes los reactores de un solo cuerpo como los de múltiples. Los últimos son mas caros, pero se adaptan mas fácilmente a las variaciones en el numero de etapas paralelas para aumento de flujo, y a la transmisión de cantidades variables de calor. Cuando es posible, el flujo se hace por gravedad entre las etapas, ya que el mantenimiento de las bombas es siempre un problema. Los tipos de un solo cuerpo son mas compactos, mas baratos y mas fáciles de manejar y mantener. En la figura 2.5 podemos apreciar los reactores de tanque con agitación de var ias etapas.
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2.1.2. Reactores tubulares. El reactor tubular se denomina así porque en muchos casos tiene la forma de un tubo. Sin embargo lo que se entiende generalmente por reactor tubular es cualquier reactor continuo en el que existe un movimiento estacionario de uno o de todos los reactantes en una dirección espacial elegida (los reactantes entran por una parte del sistema o un extremo mejor dicho, y salen por el otro) y en el que no se intenta inducir mezcla entre elementos del fluido en diferentes puntos a lo largo de la dirección del flujo; es decir, es el tipo de reactor continuo para el que la hipótesis mas adecuada para predecir su comportamiento en primera aproximación es imaginar que el fluido se mueve a lo largo del mismo como un embolo o pistón. Los reactores tubulares se utilizan en muchas reacciones gaseosas en gran escala y también en determinadas reacciones en fase liquida. Los reactores tubulares se utilizan mucho para reacciones catalíticas. Aquí el reactor se llena con partículas del catalizador solido, y por esta razón se le designa como reactor de lecho fijo. El reactor consta frecuentemente de muchas docenas e incluso cientos de tubos en paralelo, fijos entre dos cabezas, como un cambiador de calor de tubos y envolventes. Los tubos suelen tener un diámetro de unos pocos centímetros y una longitud de varios metros. Hay tres tipos principales de reactores tubulares: 1) Tubo sencillo encamisado 2) Cambiador de calor de carcasa y tubos 3) Horno de tubo (retorta tubular), en el cual los tubos reciben calor por radiación y convección de los gases de combustión. Este último se emplea para procesos endotérmicos, mientras que los otros son apropiados tanto para procesos endotérmicos como exotérmicos. El reactor de tubo sencillo es muy simple.
P á g i n a | 15 2.1.2.1. Reactor de carcasa y tubos. La reacción puede tener lugar en el interior o en el exterior de los tubos. La zona de reacción puede contener relleno para mezclar las fases o aumentar la turbulencia, un catalizador solido en forma de gránulos o trozos grandes, tener las paredes revestidas con un catalizador, o bien estar vacíos. Los agentes de transmisión del calor pueden ser de cualquier naturaleza: refrigerantes, agua, vapor de agua, Dowtherm y sales fundidas. La figura 2.6 ilustra el principio frecuentemente adoptado de emplear la mezcla reaccionante como agente de calefacción, de enfriamiento dentro del mismo reactor. En el reactor indicado, el aire reaccionante se precalienta por contacto indirecto con los productos de reacción y a su vez se enfría rápidamente.
P á g i n a | 16 2.1.2.2. Hornos tubulares. Se aplican en el cracking de hidrocarburos para obtener olefinas o gasolinas y, en general siempre que se requieran temperaturas bastante elevadas. El horno consta de una cámara de combustión revestida con refractario, con una serie de tubos montados en las paredes y en la bóveda y a veces en la solera. En la sección de radiación los tubos están en contacto directo con las llamas. La sección de convección puede estar en la cámara principal, separada por una pared de altar, o bien en el conducto de humos. Los tubos de convección pueden tener una de estas emisiones: a) Precalentar la carga b) Mantener la temperatura de reacción alcanzada en la sección de radiación c) Recuperar el calor, bien por el calentamiento del aire de combustión, o bien por generación de vapor. En la figura 2.7 podemos apreciar los tipos básicos de hornos tubulares.
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P á g i n a | 18 2.2. Intercambio de materiales con su medio ambiente. De acuerdo a estas características nos es posible clasificar a los reactores de la siguiente manera: REACTOR CONTINUO. Los reactivos se introducen y los productos se extraen simultáneamente y en forma continua en los reactores de esta índole. Este puede tener la forma de un tanque, una estructura tubular o una torre, y tiene multitud de aplicaciones en plantas de gran escala con el propósito de reducir los costos de operación y facilitar el control de calidad del producto. REACTOR DISCONTINUO. Este tipo admite todos los reactivos al principio y los procesa según un curso predeterminado de reacción durante el cual no se alimenta o se extrae ningún material. Por lo común, el reactor tiene la forma de un tanque con o sin agitación, y se usa primordialmente en una producción a pequeña escala. La mayoría de los datos cinéticos básicos del diseño del reactor se obtienen de esta clase de equipo. REACTOR SEMICONTINUO. A esta categoría pertenecen aquellos reactores que no satisfacen por completo las dos clases antes mencionadas. En uno de los casos, algunos de los reactivos se cargan al principio, en tanto que los restantes se dosifican continuamente conforme se desarrolla la reacción. Otro tipo es similar al reactor discontinuo, excepto que uno de los productos o mas se extrae en forma continua. 2.2.1. Reactor continuo tipo tanque con agitación (C.S.T.R.) Se emplea frecuentemente en serie: los reactantes se alimentan continuamente al primer tanque, desde el cual fluyen a través de otros reactores de la serie manteniéndose agitación adecuada en cada uno de ellos para lograr la uniformidad de concentración. Considerando el sistema como un todo, existe un gradiente de concentraciones escalonado. Las diversas etapas de una batería de reactores de tanque con agitación pueden hacerse en uno solo en lugar de efectuarse en diversos tanques. Si es horizontal, el reactor de múltiples etapas esta dividido por tabiques verticales de diferentes alturas, por encima de las cuales rebosa la mezcla reaccionante. Cuando los reactantes son parcialmente miscibles y sus densidades lo suficientemente distintas, el reactor vertical conduce a la operación en contracorriente, de hecho de considerable importancia en las reacciones reversibles. Por tanto este tipo de reactor consta de varios (a menudo tres o cuatro) tanques bien agitados en serie y tiene un flujo continuo del material en reacción desde un tanque al siguiente y una alimentación constante de nuevos reaccionantes al primero. Como los recipientes son poco esbeltos (por ejemplo cilindros de altura igual al diámetro), es esencial una buena agitación de su contenido; de lo contrario una gran parte del fluido pasaría directamente de la entrada a la salida, y una buena parte del volumen del recipiente seria espacio muerto. En efecto la característica mas importante es la agitación; el reactor C.S.T.R. puede ser descrito en consecuencia en términos mas abstractos, como un sistema de reacción de varias etapas para el
P á g i n a | 19 que la primera aproximación mas idónea es la estimación de su comportamiento, se basa en la hipótesis de una mezcla perfecta en cada etapa. La mezcla hace que dentro de cada tanque, todos los elementos del fluido tengan virtualmente la misma composición y que esta sea la misma que la composición de salida. Esto origina un cambio discontinuo de composición desde un tanque al siguiente, y también una perdida por recirculación; una molécula que entra en un tanque en un momento dado tiene una probabilidad finita de encontrar casi inmediatamente el camino de la corriente necesaria de salida. Esta es la razón por lo que es corrientemente necesario utilizar varios tanques en serie; si hubiese solo uno o dos, podrían producirse perdidas apreciables de reactivo sin reaccionar. Y aunque esta perdida, es en cierto sentido, una consecuencia de la agitación, habría un re circulante mucho mayor, dentro de un tiempo corto comparado con el tiempo de residencia medio, si no hubiese agitación, puesto que esto daría lugar, como se ha mencionado, a un paso directo entre la entrada y la salida. Otra ventaja del C.S.T.R., además de la sencillez de su construcción, es la facilidad de regular la temperatura. Los reaccionantes que entran en el primer recipiente se sumergen inmediatamente en un gran volumen de fluido que ha reaccionado parcialmente y, debido a la misma agitación, no tienden a formarse “puntos locales calientes”. Así mismo, los tanques del C.S.T.R. permiten disponer de un área muy grande de superficie de refrigeración. Además de la superficie interna suficientemente grande en forma de serpentines de refrigeración sumergidos. Una ventaja adicional, en comparación con el reactor tubular, es su posibilidad de apertura. Esto facilita la limpieza de las superficies internas, lo que es importante en el caso de reacciones donde pueden depositarse materia solida, como en procesos de polimerización y en reacciones en las que se forma material resinoso como subproducto. Por estas razones los campos típicos de aplicación del C.S.T.R. son procesos continuos de sulfonación, nitración, polimerización, etc. Se utilizan muy ampliamente en la industria química orgánica y especialmente en la producción de plásticos, de explosivos, caucho sintético, etc. 2.2.1.2. Características de los reactores continuos tipo tanque. Las características principales de este tipo de reactores son las siguientes: 1. La reacción química se lleva a cabo en sistema abierto 2. Los reactantes se añaden y descargan continuamente 3. Operan a régimen estable. En la figura 2.8 podemos observar los reactores tipo tanque agitado en serie y en uno solo.
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2.2.2. Reactor continuo tubular. Se caracteriza por un gradiente continuo de condiciones de concentraciones en la dirección del flujo, en contraste con el gradiente escalonado característico de los reactores C.S.T.R. y están constituidos pro uno o varios conductos o tubos en paralelo. Los reactantes entran continuamente por un extremo y los productos salen por el otro. Normalmente se alcanza el estado estacionario, lo que significa una gran ventaja para el control
P á g i n a | 21 automático y para el trabajo experimental. Es tan corriente la disposición horizontal como vertical. Cuando se requiere transmisión de calor se suele utilizar un tubo envolvente o una construcción análoga de carcasa y tubos de un cambiador de calor, en el ultimo caso, los reactantes pueden entrar por el interior o por el exterior de los tubos. La cámara de reacción puede estar rellena de partículas solidas, catalíticas (si es necesario) o inertes, para mejorar la transmisión de calor por aumento de la turbulencia o para aumentar la superficie de interfase en las reacciones heterogéneas. El reactor tubular esta especialmente indicado en los casos siguientes: a) Necesidad de un elevado intercambio de calor; b) Operación a presiones elevadas y temperaturas muy altas o muy bajas, c) Cuando son suficientes pequeños periodos de reacción. 2.2.2.1. Características de los reactores continuos tubulares. Las características de los reactores tubulares son las siguientes: 1. La reacción se lleva a cabo en sistema abierto. 2. Todos los reactantes y productos se añaden y descargan continuamente. 3. Operan a régimen estable. Por ende, ninguna de las propiedades del sistema varia con respecto al tiempo en un punto dado del reactor. 4. La temperatura, presión y composición pueden variar con respecto al tiempo de residencia o longitud del reactor. En la figura 2.9 se muestran ejemplos de reactores tubulares.
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2.2.3. Reactores semicontinuos. Se suele emplear un solo tanque con agitación. Algunos de los reactantes se cargan en el reactor de una vez, y los restantes entran como alimentación continua. Este modo de operación es muy conveniente cuando se producen efectos térmicos notables, ya que permite retrasar las reacciones tanto endotérmicas como exotérmicas por limitación de la concentración de uno de los reactantes, manteniéndose así la reacción dentro de los limites adecuados para la transmisión del calor. También es conveniente este tipo de operación cuando la formación de productos en concentraciones elevadas puede originar productos secundarios indeseables, o bien cuando uno de los reactantes es un gas de solubilidad limitada, que solamente pueda entrar como alimentación a la velocidad de disolución.
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2.2.4. Reactores discontinuos Este reactor tiene la ventaja del pequeño coste de instalación y la flexibilidad de funcionamiento (puede pararse de modo fácil y rápido). Tiene la desventaja del elevado coste de funcionamiento y mano de obra; el tiempo invertido para la carga, descarga y limpieza es considerablemente grande, y el control de calidad del producto es deficiente. En consecuencia, podemos afirmar que el reactor discontinuo solo es adecuado para la producción de pequeñas cantidades de sustancias o para la producción de muchas sustancias diferentes en el mismo aparato. Por el contrario, el proceso continuo es casi siempre más económico para el tratamiento químico de grandes cantidades de sustancias. 2.3. Clasificación de acuerdo a las fases presentes. Tomando en consideración las fases presentes podemos clasificar a los reactores del modo siguiente: FASE HOMOGENEA: -
Gas Liquido
FASE HETEROGENEA: -
Gas-liquido Liquido-liquido Gas-solido Liquido-solido Solido-liquido-gas
Para los reactores de marcha continua distinguiremos dos tipos extremos de realizaciones: -
Reactor tubular o con gradiente de concentración Reactor perfectamente agitado o de concentración uniforme
P á g i n a | 24 En realidad a menudo, los reactores serán intermedios entre estos dos tipos, siendo un caso importante el del reactor “en etapas” o con dos zonas de concentración.
En la tabla anterior, podemos observar la clasificación de los reactores en base a las fases presentes. En la siguiente figura podemos apreciar los sistemas homogéneos y sus diversos tipos de reactores.
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2.4. Clasificación en base a la presencia de catalizadores. Tomando en cuenta la presencia o ausencia de catalizadores podemos clasificar a los reactores del modo siguiente: -
Reactores catalíticos Reactores auto catalíticos Reactores no catalíticos
2.4.1. Reactores catalíticos. Los tres tipos principales de reactores con una fase fluida y una solida que sirve de catalizador son: los reactores de lecho fijo, los de lecho móvil y los de lecho fluidizado. 2.4.1.1. Reactores de lecho fijo. El catalizador bajo la forma de partículas, (esferas o cilindros) en las que la dimensión varia de 0.1 a 1 cm esta mantenido fijo en el interior de uno o varios tubos que constituyen la envoltura del reactor. Si el intercambio de calor lo exige, se pueden tener varios tubos en paralelo y de esta manera el reactor podrá ser del tipo isotérmico, pero lo mas corriente es la temperatura que sea favorable a la reacción, como en el caso del reactor amoniaco. 2.4.1.2. Reactores de lecho móvil
P á g i n a | 26 Como su nombre lo indica, este tipo de reactores posee un lecho de catalizador en movimiento; el catalizador circula bajo el efecto de la gravedad, de arriba abajo. El fluido circula en corriente paralela o en contracorriente. Fácilmente se comprende las ventajas que pueden resultar de tal disposición: -
Facilidad de regeneración del catalizador en un reactor concebido únicamente para esta operación. Fácil sustitución del catalizador durante la marcha de la unidad. Control mas flexible de la temperatura, pudiéndose calentar o enfriar el catalizador antes de su introducción al reactor.
Sin embargo estas ventajas se ven contrastantes por las complicaciones necesarias para hacer circular el catalizador, el catalizador debe poseer buenas propiedades mecánicas y, en particular, una gran resistencia al desgaste. 2.4.1.3. Reactor de lecho fluidizado. La técnica de lecho posee, llevadas al extremo, las ventajas del lecho móvil; también su desarrollo se ha efectuado rápidamente y, actualmente, se cuentan numerosos procesos que se benefician de estas ventajas. Este reactor se emplea en determinadas reacciones catalizadas por solidos y quizá el ejemplo mejor conocido sea el mas antiguo: el craqueo catalítico de hidrocarburos. La técnica de fluidización ha sido también aplicada con éxito a ciertas reacciones en que un gas reaccione con un solido para formar un segundo producto solido o gaseoso. En todos estos casos la materia solida en forma de partículas finas se encuentra en un recipiente cilíndrico vertical. La corriente del fluido asciende a través de las partículas a una velocidad suficientemente grande para suspenderlas, pero insuficientemente para arrastrarlas fuera de la zona de fluidización. En este estado el lecho de partículas se asemeja a una ebullición; pueden verse estallar burbujas del fluido ascendente (generalmente un gas) en la parte superior de la superficie. En las figuras 2.11 a 2.17 podemos apreciar diferentes tipos de reactores catalíticos.
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Reactores de lecho fijo: figuras 2.11 a, b, c. Reactores de lecho fluidizado: figuras 2.11 d, e, f. Reactores de lecho móvil: figura 2.11 g.
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2.4.2. Reactores auto catalíticos. Cuando un reactante desaparece de acuerdo a una ecuación cinética de primero a segundo orden en un reactor discontinuo, al principio su velocidad de desaparición es rápida ya que su concentración del reactante es elevada, y después disminuye progresivamente a medida que el reactante se va consumiendo. Sin embargo, en una reacción auto catalítica, al principio la velocidad es pequeña debido a que hay poco producto presente, aumenta a un valor máximo a medida que el reactor se consume.
P á g i n a | 34 Para saber, el reactor más adecuado para un fin determinado (el que tiene un volumen mas pequeño) se encuentra que: 1. Para presiones bajas el reactor de mezcla completa resulta más adecuado que el reactor de flujo en pistón. 2. Para conversiones suficientemente altas el reactor de flujo en pistón es el mas adecuado. Se indica también que, como inicialmente debe estar presente algún producto en la alimentación para que se efectúe la reacción auto catalítica, no podría operar un reactor de flujo en pistón con una alimentación de reactante puro; en tal caso habría que añadirle continuamente a la alimentación algún producto, presentándose así una nueva oportunidad para emplear un reactor con recirculación. 2.4.3. Reactores catalíticos. Para esta clasificación solamente debemos considerar los reactores que no utilizan un catalizador para llevar a cabo la reacción requerida. 2.5. Clasificación en base a su temperatura de operación. De acuerdo a esto vamos a clasificar a los reactores de la forma siguiente: -
Reactores isotérmicos (temperatura constante) Reactores pseudoisotérmicos (temperatura mas o menos constante) Reactores no isotérmicos (temperatura no constante) Reactores adiabáticos Reactores no adiabáticos.
2.5.1. Reactores isotérmicos. En estos reactores, se mantiene la temperatura durante la reacción de manera que será necesario añadir o eliminar calor del reactor, según la reacción sea endotérmica o exotérmica respectivamente. Este es el reactor más fácil de calcular, pero su utilización es limitada. 2.5.2. Reactores no isotérmicos. Una cantidad de calor se añade o elimina del reactor, de manera que la temperatura no permanece constante durante el transcurso de la reacción. Este es el tipo de reactor mas utilizado en aplicaciones industriales. 2.5.3. Reactores Pseudo-isotérmicos. A esta clasificación vamos a considerar los reactores que tengan un comportamiento intermedio a los dos tipos mencionados anteriormente. Es decir, que algunas veces durante el transcurso de la operación la temperatura será constante y otras no. 2.5.4. Reactores adiabáticos.
P á g i n a | 35 Supone un aislamiento total del reactor con el medio exterior. Las variaciones de la temperatura dentro del reactor vienen determinadas por el calor de reacción. 2.5.5. Reactores no adiabáticos. Se supone para este tipo de reactores una pérdida de calor a los alrededores. NOTA: es importante aclarar que para esta clasificación los reactores mas utilizados para operación adiabática y en base a su temperatura de operación son: el reactor de flujo en pistón y el reactor de flujo de mezcla completa. También es importante mencionar que el clasificar a los reactores en base a su temperatura de operación implica que los diferentes tipos de reactores pueden operar de acuerdo a los requerimientos necesarios para llevar a cabo la reacción deseada; es decir, los reactores pueden operar de forma isotérmica, adiabática, pseudo-isotérmico, etc., según se requiera. 2.6. Reactores especiales. Las instalaciones diseñadas en principio para las operaciones de contacto entre fases, como la adsorción, la destilación o la extracción, se emplean frecuentemente para la realización de reacciones químicas. Muchas reacciones heterogéneas en fase fluida se efectúan en columnas de relleno. Las operaciones electroquímicas, tales como la oxidación, la reducción y la electrolisis requieren aparatos especiales. El filtro prensa de placas y marcos sirve como reactor de polimerización, y se emplea cuando resulta desventajoso el calentamiento o enfriamiento de los marcos. En la figura 2.18 podemos apreciar un reactor de polimerización de filtro prensa.
P á g i n a | 36 2.6.1. Reactores de llama. Algunas reacciones entre gases se efectúan a temperaturas elevadas sin catalizador, por mezcla de los reactantes en un quemador de descarga de la mezcla incandescente en una misma boquilla del generador, en la cámara o bien en la salida de la misma. Las reacciones en llamas permiten obtener rápidamente las temperaturas mas altas. Si a continuación se dispone de un enfriamiento rápido por eyección de una corriente fría, puede evitarse la formación de subproductos. La llama solo es estable dentro de los limites relativamente estrechos de velocidades de reacción y caudal de los gases. Las velocidades espaciales varían ampliamente, dependiendo del tipo de reacción de que se disponga o no de una cámara de premezclado de los reactantes antes del reactor. El diseño de los reactores es relativamente sencillo y consta de boquillas de mezclado o quemadores, cámara abierta y sistemas de enfriamiento. En la figura 2.19 podemos observar este modelo de reactor.
En la mayoría de los casos, los reactores son recipientes de proceso así como hornos, mezcladores, equipos de contactores de gas-solido, intercambiadores de calor u otro equipo convencional de proceso químico, adaptados o modificados para una reacción específica.
P á g i n a | 37 CAPITULO III. SELECCIÓN DE REACTORES QUÍMICOS. 3.1.Selección de equipo de proceso. La selección de los tipos y tamaños del equipo para la planta de proceso requiere una considerable experiencia en este campo para poder efectuar un buen trabajo, principalmente si el proceso es parcial o totalmente nuevo. Si el proceso es uno ya establecido o en operación en alguna parte, entonces la tarea se reduce a una serie de cálculos comparativos, aumentando o reduciendo el tamaño del equipo y accesorios incorporando las innovaciones y mejoras pertinentes que sugiera la experiencia pasada. Cualquier proceso nuevo requiere un estudio completo de los procesos y operaciones unitarias implicados, y posteriormente se hace la selección de los tipos y tamaños del equipo necesario para un buen funcionamiento. 3.1.1. Procedimiento de selección de equipo. Después de que el ingeniero ha hecho una lista de todas las necesidades del equipo basándose en los diagramas de ingeniería y después de haber realizado los cálculos de diseño necesarios llena una forma con las especificaciones para cada pieza de equipo importante, usando equipo normal siempre que sea posible. Si se necesitan cotizaciones del equipo se deben presentar a los proveedores hojas de especificaciones detalladas. Frecuentemente los vendedores o las asociaciones de fabricas pueden suministrar esqueletos para ser llenados con las especificaciones necesarias. Si el diseño se va a utilizar solo para una estimación preliminar del costo y para un trabajo de distribución y arreglo de la planta se puede utilizar una hoja de especificaciones como la mostrada en la figura 3.1 toda o solo una parte. Este tipo es particularmente importante y adecuado para resumir los cálculos del equipo en un curso de diseño de plantas. La selección de estimación de costos de la tabla 3.1 la explicaremos mas adelante en la parte de Factores económicos.
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3.1.2. Equipo especial y equipo normal El valor de utilizar equipo normal del tipo de bombas y cambiadores de calor es bien reconocido en el campo de la ingeniería química. De todo el equipo se requiere siempre buen funcionamiento y servicio; los errores en el juicio son peligrosos –e inexcusables – sobre todo si se dispone de datos sobre equipos parecidos en procesos similares. La experiencia de los demás es muy valiosa y se debe utilizar lo más posible.
P á g i n a | 39 Los fabricantes del equipo están siempre deseosos de dar servicio, ya que esta es siempre una de las formas mejores de ganarse al ingeniero químico. Mucha información valiosa para la solución de problemas se puede obtener con solo pedirla a los fabricantes de equipo, que ven posibilidades de obtener así un pedido. Sin embargo tienen también mucho interés en no introducirse en campos o procesos donde saben que su equipo no dará resultados satisfactorios. Aunque en ingeniería química es un axioma el seleccionar equipo normal siempre que se pueda, el ingeniero se enfrenta a menudo con una situación en la cual su problema requiere un diseño especial y probablemente el uso de materiales especiales. En estos casos, se debe acudir a todo su entrenamiento y experiencia para diseñar el equipo necesario. Al hacer esto no debe tener ningún temor al diseño, ya que tiene las especificaciones y entiende las reglas del diseño de maquinas; todo lo que tiene que hacer es aplicarse la tarea de convertir sus especificaciones en un dibujo lineal que el fabricante pueda convertir a su vez en una pieza tridimensional de equipo. Gran parte del equipo para el manejo de materiales y para los procesos unitarios esta normalizado y, siempre que sea posible utilizarlo, se debe preferir al de diseño especial. Con esto no solo se obtendrá un costo inicial sustancialmente menor, sino que la duplicación del equipo y las reparaciones del equipo viejo se harán con mucha mayor facilidad. Hay que asegurarse de haber agotado completamente la literatura comercial sobre el tema antes de embarcarse en el diseño del equipo especial. El equipo normal ya ha sido probado y ha resistido las más rigurosas pruebas de servicio; ha dado resultados prácticos y ha pasado por largos periodos de experimentación; generalmente, es el resultado de muchas modificaciones al diseño original. La normalización no solo significa un costo mínimo de fabricación, sino también el que una maquina construida de acuerdo a los patrones y en tamaños normales ha sido por lo general diseñada con la mayor minuciosidad. En estas circunstancias los fabricantes pueden garantizar, y garantizan, una operación satisfactoria del equipo. un diseño nuevo es un experimento tanto para el que lo diseña como para el que lo va a usar; tiene que comportarse satisfactoriamente durante un largo periodo de tiempo para que sea aceptado como el mas adecuado. Sin embargo cuando el ingeniero se encuentra ante un problema que requiere el diseño de un nuevo equipo, no debe dudar en llevarlo a cabo. 3.1.3. Especificaciones. Antes de empezar una búsqueda en el catalogo de ingeniería química y en los archivos de literatura comercial o de ponerse en contacto con los fabricantes de equipo, se debe formular una especificación cuidadosamente escrita en la cual se detallen los márgenes de operación y demás requisitos necesarios. La escritura de las especificaciones no debe considerarse como un arte especial, sino como un requisito que debe cumplir cada ingeniero químico. Las especificaciones deben contener toda la información que se considere esencial, incluyendo composición, características físicas y químicas de los materiales que se vayan a manejar, tipo y calidad de los servicios auxiliares disponibles, necesidades de estos servicios en el equipo, empaque y marcado de los recipientes, requisitos para el empaque y cotizaciones. Los fabricantes de equipo suelen suministrar una forma en la cual se incluyen las preguntas de cada fabricante que considere
P á g i n a | 40 necesarias, si se contesta correctamente, para hacerse del equipo. Sin embargo, siento tan bueno este servicio, se puede ahorrar el tiempo que se pierde en la correspondencia mandando una especificación bien escrita al fabricante. 3.2. Especificaciones para un reactor químico. El dimensionado de los reactores químicos es un trabajo específico del ingeniero de proceso. Para la determinación del tamaño, estilo y forma de un reactor químico, se consideran los datos de la cinética química juntamente con los datos obtenidos en las pruebas efectuadas en las plantas piloto. Por lo mismo, los reactores se construyen de manera muy especial. Hay ciertos procesos que es preferible manejarlos en autoclave, especialmente aquellos que requieren de operaciones intermitentes, tales como algunas operaciones de polimerización. La demanda de autoclaves con agitadores y superficies de calor adjunto, ha influido en varios fabricantes de equipo para producir líneas completas de estos equipos en varios tamaños estándar, que se pueden adquirir de inmediato. Resulta muy económico adaptar las necesidades a los tamaños estándar de las autoclaves. El ingeniero de proceso debe fijar la capacidad de la autoclave ya que el fabricante de la misma no esta familiarizado con la reacción, y con frecuencia es preferible evitar el dar información a la reacción correspondiente. El fabricante de la autoclave puede y debe hacer algunas preguntas para la fabricación del área de transferencia de calor, agitador y algunos accesorios mecánicos. Por la experiencia que tiene el fabricante, él es el más indicado para resolver problemas referentes a empaques cuando se tienen altas presiones; también es el más indicado para el cálculo del espesor de la pared del recipiente a presión y métodos de fabricación con materiales de aleación. Las autoclaves pueden ser calentadas con agua caliente, “Dowtherm” y por calentamiento eléctrico. Cada uno de estos
sistemas, especialmente el de fuego directo, Dowtherm y el de calentamiento eléctrico, requieren de considerables conocimientos, que los fabricantes de autoclaves han adquirido a través de muchos años de experiencia. Al fabricante debe dársele la información necesaria para la selección y diseño del sistema de agitación, del sistema para transferencia de calor y del recipiente. Los fabricantes están enterados de los secretos de algunos procesos, por lo que será conveniente describirles la reacción en términos de algún fluido que sea similar. Las propiedades físicas del mismo deben ser razonablemente exactas. A medida que se van mejorando, las técnicas de cinética aplicada harán posible la ejecución continua de muchas reacciones en reactores colocados a lo largo de tuberías, las cuales tradicionalmente se han efectuado en autoclaves como reacciones intermitentes. INFORMACION REQUERIDA POR EL VENDEDOR. 1. Propiedades físicas y químicas. a. Densidad de la mezcla de reacción a las condiciones de operación. b. Viscosidad de la mezcla de reacción a las condiciones de operación.
P á g i n a | 41 c. Toxicidad e inflamabilidad de la mezcla de reacción. d. Algunos otros factores o descripción del material (o materiales similares) que sea posible proporcionar. e. Si se va a usar una autoclave para diferentes reacciones, proporcionar el intervalo de las propiedades físicas. 2. Condiciones de operación. a. Presión máxima en el interior de la autoclave. b. Temperatura máxima (dar el ciclo tiempo-temperatura o limites aproximados). Es necesario dar una idea de la velocidad a que aumente la temperatura para diseñar la presión adecuada en el recipiente. c. Tipo preferido de calentamiento. d. Presión de operación en las chaquetas (presión y temperatura del medio de calentamiento). e. Si se necesita enfriamiento, describir el medio de enfriamiento. f. Describir el grado de agitación requerido. Sugerir el tipo de agitador requerido. g. Describir los sistemas de temperatura automática y control de presión. 3. Materiales de construcción. Describir los materiales basándose en la experiencia que se tenga con el fluido manejado. 4. Varios. a. Hacer una lista de tamaño, número y localización preferentemente de las conexiones requeridas. b. Características de la energía eléctrica. c. Equipo auxiliar necesario. d. ¿Se requiere equipo a prueba de explosión? e. Localización (describirlo) f. Si se necesitan uniones especiales.
3.3.Factores que influyen en la selección del tipo de reactor. Cuando se lleva a cabo la selección preliminar del tipo de reactor, ya debe haberse establecido la cinética de la reacción y la forma en que se ve afectada por los parámetros clave del proceso, como también deben haberse determinado las condiciones óptimas de operación. En el diseño de un reactor industrial, las consideraciones más importantes para un tipo de reactor dado son, por lo común, el costo y el beneficio. Así, pues los criterios que se eligen para dicha selección deben ser tales que reduzcan los costos al mínimo o incrementen el beneficio al máximo. Estos criterios se determinan a través de factores que se clasifican en tres grupos distintos, a saber: técnicos, económicos y sociales.
P á g i n a | 42 Los aspectos técnicos se relacionan con los factores químicos y físicos del proceso que controlan el rendimiento y la calidad del producto, en tanto que los factores económicos incluyen la inversión del capital y los costos de operación. Los factores sociales comprenden aquellos que no tienen un valor monetario directo, por ejemplo, la seguridad y la satisfacción de los operadores y los efectos dañinos que pueda producir el reactor en el medio ambiente. 3.4.Factores técnicos. Hay solo tres clases de reactores que generalmente se toman en consideración y son: el discontinuo (o semicontinua), el continuo en tanque agitado y el tubular. El rendimiento en producto, y su calidad (o composición) están regulados por factores técnicos que son característicos de cada clase de reactor y sus condiciones de funcionamiento. Véase el sistema de reacción: aA + bB dD (producto deseado) b´B + d´D sS (indeseado) el Porcentaje Global de Rendimiento Y y del producto deseado D, basado en el reactivo limitante A, se define como sigue:
En donde los subíndices f y 0 representan las condiciones de salida (finales) del reactor y las de entradas (iniciales), respectivamente. La relación estequiométrica a/d se incluye para que Y tenga un valor del 100 % en caso de una conversión completa de A. 3.4.1. Factores químicos. Los factores químicos del proceso incluyen el tipo de reacción (simple o compleja), la velocidad de reacción, la capacidad de producción y la necesidad de catalizador. En una reacción de orden simple, la distribución del producto se fija por medio de la estequiometria. En los párrafos siguientes se presenta un análisis breve del tipo de reactor preferido para algunas delas clases de reacción mas importantes. REACCION AUTOCATALITICA. La hidrolisis del éster catalizada con acido es un ejemplo de la reacción auto catalítica en la que uno de los productos actúa como catalizador. A + D B + D En donde D es el catalizador. Al iniciarse la reacción debe estar presente una cantidad pequeña de D.
P á g i n a | 43 En esta clase de reacción, la velocidad del mecanismo es inicialmente baja debido a que C D es pequeño; pero, con el desarrollo de la reacción, el aumento de C D acelera la velocidad a un máximo después de lo cual se hace más lenta debido a una reducción gradual de C A. para llevar a cabo este tipo de reacción en un sistema de reactor continuo a una velocidad cercana a la máxima (y obtener un gran rendimiento), el sistema preferido seria aquel que consistiera en un reactor de tanque agitado seguido por otro tubular. Esto se debe a que, con un mezclado eficiente, la dosificación que entra en el reactor de tanque agitado adoptaría inmediatamente la misma composición que la mezcla residente, que se ajusta de tal modo que se acerque a la velocidad máxima de reacción. En el reactor tubular, el cambio registrado en CD partiendo de un valor elevado a otro menor, se hace de un modo gradual para sostener la reacción a una velocidad elevada tanto tiempo como sea factible. También se puede adoptar una combinación alternativa que utilice un reactor de tanque agitado con los medios necesarios para separar y reciclar el reactivo restante en la corriente del producto. POLIMERIZACION. Las reacciones comprendidas en la formación de polímeros son uno de los ejemplos de reacciones complejas asociadas con procesos de transferencia de cadena de mayor importancia desde el punto de vista industrial. La distribución del producto es muy complicada y cubre una gran variedad de longitudes de cadena y pesos moleculares como resultado de la influencia de varios factores químicos y físicos del proceso. Las propiedades del polímero que constituyen el producto se controlan a través de la distribución del mismo, que es el factor clave para seleccionar el tipo de reactor. Debido a la naturaleza sumamente viscosa de la mezcla de reacción, la mayoría de las reacciones de polimerización se llevan a cabo en reactores de tanque agitado, ya sea de funcionamiento continuo o discontinuo. La decisión esta, entonces, entre estas dos clases de reactores y esta regulada por los requisitos de la capacidad de producción y la distribución del producto. Para producciones a pequeña escala casi siempre se prefiere un reactor discontinuo. Esta clase de reactores se caracteriza también por el hecho de que todos los componentes tienden a tener un tiempo de residencia uniforme conforme la concentración del monómero sigue decreciendo al desarrollarse la reacción. La situación inversa prevalece en el caso del reactor continuo de tanque agitado. Así, pues, el reactor discontinuo dará un rendimiento de pesos moleculares que el reactor continuo. Para reacciones lentas de polimerización, el sistema continuo puede requerir una batería de reactores de tanques agitados para satisfacer las necesidades de producción. REACCIONES CONSECUTIVAS. En el curso de una reacción consecutiva elemental del tipo , si B es el producto deseado, es obvio que CB pasa por un máximo en algún punto intermedio. En un reactor continuo de tanque agitado, hay elementos distintos del fluido reaccionante que tendrían una variedad de tiempos de residencia debido a las condiciones de flujo no ideal que existen dentro del reactor, lo que dificulta el método para llegar al rendimiento máximo. Así, pues, el reactor discontinuo debe preferirse para reacciones de esta índole, ya que es más o menos sencillo ajustar el tiempo de residencia de toda la mezcla de reacción a un valor
→ →
P á g i n a | 44 cercano al óptimo. Un reactor tubular con un mínimo de retro mezclado, generaría también un resultado comparable al del reactor discontinuo. REACCIONES PARALELAS.
→ Supóngase que B es el producto buscado. La ecuación relativa de producción es:
Cuando m es mayor que n el rendimiento de B se ve favorecido por una gran concentración de A. Esta condición se logra en un reactor discontinuo o tubular en el que el cambio de concentración del reactivo sea gradual y la concentración promedio del reactivo sea superior a la del reactor continuo de tanque agitado. No obstante, el rendimiento de este último mejora en cierto grado empleando una batería de tanques conectados en serie. Por el contrario cuando m es menor que n, la concentración baja de A favorecerá el rendimiento de B. Obviamente, esto se satisface utilizando un sistema de reactor continuo y tanque agitado. 3.4.2. Reactores físicos. En esta clasificación se incluye la modalidad de transferencia de calor (isotérmicos, adiabática y de otra índole), el grado de retro mezclado y la cantidad y las clases de fases comprendidas. Los factores están casi siempre tan íntimamente asociados con los factores químicos del proceso, que no siempre es posible separarlos. MODALIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Para obtener un rendimiento máximo de la reacción, quizá sea necesario diseñar una modalidad de transferencia de calor tal que se obtenga la programación de la temperatura optima. Esta programación de la temperatura puede ser isotérmica, adiabática o algún otro perfil de temperatura predeterminado y establecido según los balances de materia y energía. En una reacción exotérmica, cuando la cantidad de calor liberado es tal que la velocidad de reacción se sustenta a pesar de la concentración decreciente del reactivo, es preferible emplear un reactor de tanque agitado. Por otro lado, conviene usar un sistema de reactor tubular de flujo con intercambiadores de calor externo cuando se tenga una cantidad excesiva de calor que ejerza un esfuerzo desfavorable en la conversión de equilibrio. En este caso es factible usar un reactor tubular de flujo, o bien un sistema de reactor discontinuo de tanque agitado inyectando en varios puntos cierta dosificación de la alimentación. Cuando se trata de reacciones endotérmicas, conforme la temperatura desciende al desarrollarse la reacción, tanto la velocidad de reacción como la conversión de equilibrio disminuirán. En estas
P á g i n a | 45 circunstancias, los procesos generales se controlan a través de la velocidad de la transferencia de calor, en cuyo caso se requerirán intercambiadores de calor entre las etapas. Por lo tanto, el diseño de los intercambiadores de calor adoptará quizá el papel más importante que la reacción misma del tipo de reactor. No obstante, casi siempre se prefiere usar en este caso un reactor tubular de flujo. GRADO DE RETROMEZCLADO. Este factor varia desde un máximo para un reactor de retro mezclado, hasta un mínimo para un reactor ideal de flujo tapón. El grado de retro mezclado para reactores prácticos se ubica entre estos dos extremos. CLASES DE FASES COMPRENDIDAS. Muchas reacciones catalizadas con un sólido se llevan a cabo en reactores tubulares llenos. Entre los ejemplos sobresalientes se incluyen la síntesis del amoniaco, la oxidación de SO 2 y la disociación catalítica de los hidrocarburos de petróleo. Sin embargo, también se usa una gran cantidad de variantes de los reactores básicos (es decir, tubulares y de tanque agitado) así como de otros de diseño especial. Entre estos están los de lecho fluidizado, los de fase dispersada, hornos de secado y hornos de crisol, así como torres de absorción de gas. 3.4.3. Selección del tipo de reactor en base al número y clase de fases presentes. A partir de una gran cantidad de conocimientos y experiencias ahora disponibles respecto a la cinética de reacción aplicada, puede demostrarse que las reacciones y los reactores químicos quedan mejor clasificados según el numero y clases de fases presentes. Este método de clasificación permite compaginar las necesidades de la reacción (tiempo de residencia, temperatura, presión, agitación, resistencia a la corrosión) con las características del reactor para que sea capaz de permitir dichas necesidades. Los varios tipos de reactores químicos (tubos cortos rellenos, tubos largos vacíos, recipientes agitados y lechos fluidizados) poseen características bastante diferentes respecto a agitación, caída de presión, distribución de tiempos de residencia, y materiales de construcción. Teniendo en cuenta las necesidades especiales de la reacción y las características de los reactores, es posible compaginarlos y así escoger el reactor adecuado para la reacción particular en cuestión. En base a lo descrito anterior tenemos la siguiente clasificación: Tipo de reacción Homogénea: fase gaseosa Homogénea: fase líquida Heterogénea: líquidolíquido Heterogénea: líquido-
Reactor aconsejable para la reacción Tubular vacío, continuo Tubular vacío o recipiente agitado, continuo Recipiente agitado, por cargas o continuo Recipiente agitado, semicontinua o continuo.
P á g i n a | 46 gas Heterogénea: líquidosólido Heterogéneo: líquido-sólido-gas
Torre de absorción continuo. Recipiente agitado, por carga o continuo Columna de relleno, continuo Tubos cortos rellenos (sólidos estacionarios, gas en circulación), lecho de relleno fijo grande (adiabático)(sólidos estacionarios, gas en circulación), lecho móvil (sólidos de gran tamaño descendentes, gas ascendente), sólidos fluidizados (gas ascendente, sólidos circulando bien mezclados).
Antes de realizar una selección del reactor químico se necesita tener una serie de datos: 1. Las condiciones de reacción: debe determinarse mediante trabajos de laboratorio la temperatura, presión, caudales, catalizadores, concentraciones, tiempos de reacción, conversiones y rendimientos. Pueden obtenerse de un solo experimento, pero se debe disponer de datos experimentales. No es necesario determinar la cinética o el mecanismo de la reacción, pero debe realizarse una determinación experimental de las condiciones de reacción, geometría del reactor, conversión y rendimiento. 2. El calor de reacción: es necesario conocer el calor desprendido o absorbido por la reacción, o sino estimarlo con bastante exactitud. Normalmente el calor de reacción debe estimarse (lo que no es difícil) debido a que es difícil su medición. El calor de reacción desprendido (o absorbido) por unidad de volumen y unidad de tiempo en el reactor. A partir de este dato el diseñador puede poseer una idea bastante clara sobre la capacidad necesaria de intercambio de calor del reactor. 3. Las necesidades de agitación y mezcla de reacción: la mezcla de las sustancias contenidas en el reactor puede que tenga que ser intensa (para dar lugar a una transferencia de masa y calor) o nula (como en el caso de mezclas homogéneas de gases y líquidos). Una intensa agitación necesita de equipos e instalaciones mecánicamente bastante complejas y que pueden presentar muchos problemas de coste y relación de materiales. 4. El material de construcción del reactor y del equipo auxiliar: si el poder corrosivo de la masa reaccionante es pequeño, el reactor puede construirse en materiales convencionales (acero) y casi con cualquier forma. Por el contrario si existe un problema importante de corrosión y deben utilizarse materiales cerámicos, el tamaño y la forma, a la vez que las características de transmisión de calor y transferencia de materia quedan fuertemente restringidas. Utilizando la clasificación de las reacciones dadas, tenemos: HOMOGÉNEAS: Fase gaseosa. Básicamente el reactor consiste en múltiples tubos pequeños conectados en paralelo y que trabajan en continuo. Las reacciones son rápidas en un segundo o menos, las velocidades de flujo altas, y los efectos caloríficos elevados y normalmente endotérmicos (aunque existan reacciones exotérmicas). La transmisión de calor es mala, el flujo turbulento (flujo pistón) y la temperatura es
P á g i n a | 47 siempre bastante alta. Deben utilizarse materiales resistentes al calor y el diseñador debe tener muy en cuenta aunque estén en pequeñas cantidades a los gases corrosivos (oxigeno o cloro). Utilícese: -
Caída de presión: 0.2 libras/pulg2./pie Tubos de acero inoxidable de 2 pulgadas de diámetro y 20 pies de longitud. Densidad del flujo másico del gas: 3000 libras m/(hr)(pie2)
En las reacciones endotérmicas puede aportarse calor mediante hornos de radiación (utilícese 18 000 Btu / (hr) (pie2)). Tanto para calentamiento como refrigeración se puede utilizar un coeficiente global de 5 Btu / (hr) (pie2) (0F). debe conocerse la temperatura de seguridad por rotura de los tubos que dependerá de la presión interna. En una primera aproximación utilícese para el acero inoxidable 1200 0F. Ejemplos: pirolisis de hidrocarburos ligeros a etileno, propileno y acetileno; nitración de parafinas (exotérmicos); des metilación térmica de tolueno. Homogéneas: fase líquida. Se utilizan recipientes bien agitados tanto en reacciones por cargas como en continuo. Úsese un reactor tubular solamente para reacciones continuas. Se puede emplear un único recipiente agitado o una combinación en serie de dos, tres o cuatro. Casi siempre se utilizan cuatro. 1. Recipientes agitados. Utilizar recipientes con agitador de turbina y cortacorrientes; un consumo de potencia de 2 hp/1000 galones; supóngase el contenido del recipiente completamente mezclado; un coeficiente de transmisión de calor al encamisado o serpentín de 250 Btu / (hr) (pie2) (0F). si las necesidades de transmisión de calor son excesivas, utilizar un intercambiador exterior. El tamaño del mezclador (tiempo nominal de residencia) se determina a partir de los experimentos de laboratorio. 2. Reactores tubulares. El reactor tubular puede utilizarse para reacciones con poco o nulo calor de reacción. En este caso el flujo puede ser laminar, el tubo largo y la temperatura y presión fácilmente controlados. La distribución de tiempo de residencia puede tomarse como los de flujo pistón aunque el modelo sea flujo laminar. si la reacción es mas rápida o el calor de reacción mayor (pero no elevado) es necesario flujo turbulento. Puede utilizarse entonces una velocidad de 5 pies/seg, un coeficiente de transmisión de calor de 25 Btu / (hr) (pie 2) (0F) y una caída de presión (libra/pulg 2./pie): 0.7/D (donde D es el diámetro en pulgadas del tubo). La distribución de los tiempos de residencia será igual a la del flujo pistón. Muchas veces se conecta en serie recipientes agitados y reactores tubulares. Las primeras y rápidas fases de la reacción se llevan a cabo en el tanque agitado, donde la transmisión de calor es mejor y luego en el reactor tubular tienen lugar las menos intensas pero mas largas. Ejemplo: polimerización en continuo de estireno.
P á g i n a | 48 Heterogéneas: líquido-líquido. líquido-líquido. En este caso se necesita de una buena dispersión y transmisión de calor. Utilícese recipientes agitados con turbina y cortacorriente con un consumo de 5 hp/1000 galón; U=150 Btu/ (hr) (pie2) (0F); prever una cámara exterior para la separación de fases, o, si se necesita una rápida separación, utilícese una centrifuga. Ejemplo: nitración de tolueno con mezcla de ácidos. Heterogéneas: líquido-gas. Utilícese tanques agitados con cortacorriente y agitación con turbina; úsese 10 hp/1000 galón para líquidos no gasificados y una velocidad de: 0.2 pies / seg para gases que se absorben en su mayor parte. 0.1 pies / seg para gases que se absorben en un 50 %. 0.05 pies / seg para gases que en su mayor parte no se absorben. Tómese U=100 Btu / (hr) (pie2) (0F); supóngase que la fracción del volumen reaccionante que es gas, es 0.20. Ejemplos: oxidación con aire u oxigeno de p-xileno a ácido tereftálico. Heterogéneas: líquido-sólido. Utilícese recipientes agitados con turbina y con rompe corrientes; con una potencia de 10 hp/1000 galón, una relación longitud/diámetro del recipiente: 2; U=100 Btu / (hr) (pie2) ( 0F), coeficiente de transmisión de la masa liquida, kL=3.5 pie/hr; si se utiliza un catalizador finamente dividido puede utilizarse 5 libras solido / pie3 de suspensión. Ejemplos: disolución de sales sólidas; extracción de arenas con ácidos. Heterogéneas: líquido-sólido-gas. líquido-sólido-gas. 1. Recipiente agitado. Agitado con turbina, con cortacorrientes al máximo, 10 hp/1000 galón;
U=100 Btu / (hr)(pie2)(0F);
; velocidad del vapor entre 0.05 y 0.2 pie/seg; contenido
en solidos 5 libras solidos / pie3 de suspensión; fracción de gas en la suspensión 0.2. Ejemplos: hidrogenación de aceite de semillas de algodón; producción de hidrocarburos ligeros a partir de CO2 e H2.
2. Reactor de lecho fijo de goteo. Salidas estacionarias, liquido en descenso y gas ascendente. El diseño es análogo al de una torre de absorción. Utilizar g=1000 libras / (hr)(pie2) o 3 pie/seg como velocidad superficial, L=1500 libras m/(hr)(pie 2). El calor de reacción debe ser pequeño.
P á g i n a | 49 Ejemplo: hidrosulfuración de fracciones de petróleo.
Heterogéneas: sólido-gas. 1. Reactor tubular de pequeños tubos con relleno. Salidas estacionarias, con el gas en movimiento ascendente o descendente. Utilícense tubos de 1.5 pulgadas de diámetro; tamaño de las partículas solidas 0.20 pulgadas; caída de presión menor del 15% de la presión de las aguas arriba, en reacciones exotérmicas puede esperarse un fuerte aumento de la temperatura. Ejemplos: oxidación del o-xileno a anhídrido ftálico; síntesis de cloruro de vinilo a partir de ácido cianhídrico y acetileno. 2. Reactor de lecho grande con catalizador y en operación adiabática. No existe transmisión de calor, el calor de reacción se absorbe o es proporcionado por cambios en el calor sensible en el gas. Muchas veces se mezcla con los reactantes grandes cantidades de gases inertes como diluyentes. La caída de presión y los caudales se utilizan en valores análogos a la de los tubos con relleno. El diámetro del lecho puede ser tan grande como se desee. La distribución del gas puede ser un problema. Ejemplo: hidrolisis en fase vapor de cloro benceno a fenol. 3. Reactor de lecho fluidificado. fluidificado. 1. Velocidad del gas 0.5 pie/seg. 2. Modelo de flujo del gas, mezcla perfecta. Considérese el reactor de lecho fluidificado como un recipiente de mezcla perfecta. 3. Coeficiente global de transmisión de calor a la superficie sin recubrimientos. 50 Btu/ (hr)(pie2)(0F). 4. Caída de presión por pie de altura del lecho 0.3 libras/pulgada 2. Dado que pueden necesitar grandes cantidades de gas dimensiónese y calcúlese la potencia del ventilador o soplante. 5. Prevéase una longitud supletoria del 100% de la longitud del reactor para expansión del lecho y receptáculo de la elutriación de los sólidos. 6. Los solidos se elutriarán del lecho. Prever ciclones separadores y filtros de gases. Suponer una velocidad de elutriación de 0.01 libras m/(pie 2)(seg.). 3.5. Factores sociales. Los factores comprendidos en esta clasificación no se evalúan directamente en términos monetarios, pero si pueden influir en la decisión del tipo de reactor que se adquiera. Por ejemplo, una de las clases puede ser mas segura en su funcionamiento que otras. Es mas la característica del diseño de un reactor llega a facilitar la operación simplificando con ello la labor de los trabajadores. Algunas clases de reactores generan desechos que son difíciles de tratar y tienden a contaminar el ambiente.
P á g i n a | 50 3.6. Factores económicos. ESTIMACION DEL COSTO DE LOS EQUIPOS. Existe una extensa bibliografía sobre costo de equipo. esta bibliografía tiene bastante valor para un ingeniero de procesos, pero debe utilizarse con prudencia. Hay varios aspectos dignos de consideración: 3.6.1. Índice de costos de los equipos-tiempo. Los costos de los equipos e instalaciones químicas no permanecen constantes, sino que cambian con el tiempo. Como regla general puede afirmarse que los costos crecen a medida que el tiempo pasa. Se han hecho muchos intentos de correlacionar costes de equipo con diversos índices económicos de manera manera que así se reflejasen dichas variaciones. La figura 3.6.1. muestra una representación gráfica de algunos de estos índices frente al tiempo. Nótese que en ordenadas la escala es logarítmica.
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El índice más ampliamente conocido es el Engineering News-Record Index, que calcula y publica la revista Engineering New Record. Fue el primero de los índices y es el que mas se utiliza en la industria de la construcción. En un índice medio ponderado de los costes del acero, madera, cemento, y mano de obra. El rápido incremento de los costos de construcción, de gran importancia en la industria química, resulta evidente al contemplar el grafico en cuestión. Muchas correlaciones de los costes de equipos de la industria química, toman como base un determinado índice ENR (por ejemplo el de 1957). Este método fue utilizado ampliamente para equipos e instalaciones de la industria química hasta 1957, pero desde entonces los costes de construcción han crecido mas rápidamente que los de equipo de proceso. Ahora en el momento presente, no es aconsejable utilizar el índice ENR para predecir los costos del equipo. Aquí puede hacerse una pertinente aclaración en lo concerniente al costo de las modernas plantas químicas. El índice ENR para costos de construcción crece mucho mas rápidamente que los índices relativos al costo de los equipos. La conclusión a la que se llega del estudio de estos índices, y que
P á g i n a | 52 viene confirmado por la experiencia practica, es que los costos de las plantas químicas están creciendo rápidamente, debido primordialmente al rápido crecimiento en el costo de los trabajos de construcción (acero, hormigón, preparación del terreno, e instalación del equipo) bastante mayor que el crecimiento en el costo de los equipos de proceso. Otros índices son: a) El Marshall and Stevens Index, ahora bautizado como Marshall and Swift, que es un índice promedio ponderado del costo de los equipos en ocho diferentes industrias de proceso. Este índice se publica con regularidad en el Chemical Engineering. b) El Plant Cost Index, que viene publicado regularmente en la revista Chemical Engineering. c) El índice de precios al por mayor del Departamento de Comercio de EE.UU. que se publica regularmente en el Business Statistics. Esta cifra, junto al Consumer Price Index, se contempla como una medida del poder de compra del dólar estadounidense. Debiera ser la medida mas segura que existe del costo de los equipos de proceso. En el grafico de la figura 3.6.1 puede observarse que los tres índices (a), (b) y (c) crecen casi a la misma velocidad y que cualquiera de ellos puede utilizarse para poner al día, o predecir, los costes de equipo mediante la razón:
Debe tenerse en cuenta que estos costes son costes de compra del equipo. normalmente vienen ofertados como FOB en los almacenes del proveedor. Después de comprarlos el industrial químico debe pagar todos los costes de transporte a la planta y la instalación y conexionado en la misma planta. Los gastos de transporte, instalación y conexión, pueden ser varias veces superiores al costo de compra. Evidentemente que un equipo de una instalación química debe conectarse con el resto de la planta para que pueda tener algún valor. Consecuentemente los costos de transporte, instalación, aislamiento, tuberías, conexionado eléctrico, e instrumentación debe añadirse al costo del equipo antes de hacer cualquier estudio significativo. 3.6.2. Relaciones entre costo de equipo-tamaño. Otro aspecto debe considerarse, es el hecho de que los costos de los equipos de proceso, en un momento dado, cambian con el tiempo, potencia o peso del equipo. en general cuanto mayor o mas potente es una maquina, tanque o recipiente, cuesta mas que otro menor, pero no en una proporción directa. Normalmente se aplica una función tamaño-costo de la siguiente manera:
Ó Donde:
) (
P á g i n a | 53 A = alguna característica que define el tamaño tal como volumen, área o potencia. K = Constantes, valor del costo cuando A es la unidad. L y S = Subíndices que indican tamaño mayor y menor respectivamente. Una función de este tipo, cuando se presenta en coordenadas doble logarítmica es una línea recta. En estas coordenadas es preferible relacionar los costos y los tamaños de un tipo particular de equipo en un gran margen de tamaño, de 100 o mas veces. Por tanto estos gráficos o ecuaciones son muy útiles porque presentan gran cantidad de información de una manera muy compacta. Algunos ingenieros consideran que n es una constante para todos los tamaños y para todos tipos de equipos. A veces se hacen explicaciones relativas a la regla de los “Seis -décimos“ ó “Sietedécimos”, significado que n puede considerarse constante e igual a 0.6 ó 0.7. esto es
verdaderamente una aproximación muy atractiva, pero no lo suficientemente buena en un trabajo correcto. Cada tipo de equipo posee su propio valor de n, y este valor puede o no permanecer constante. Los autores modernos reconocen este hecho y hacen hincapié en que se debe conocer cada valor de n. 3.6.3. Relaciones entre coste de los equipos e instalaciones y negocio. Otro aspecto a considerar en el calculo de los costos es que en la bibliografía no se tienen en cuenta las relaciones de negocio que pueden existir. Los proveedores de equipo para la industria química puede que cambien sus precios subiéndolos o bajándolos del precio según: 1. El tipo de competencia en ventas que existe en un negocio. Algunas clases de equipo las venden muchos proveedores, con lo que existe una gran competencia. Los precios ofertados por diversos vendedores son muy parecidos y bastante competitivos, sin embargo un vendedor puede que reduzca sus precios incluso hasta 30 % si cree, o se le hace creer, que con ello recibirá un gran pedido. Por otro lado algunos equipos solo los fabrican una o dos firmas. Disfrutan de un monopolio y por tanto venden solo a altos precios y con grandes beneficios. La competencia o su ausencia, influyen mucho en el costo de compra de los equipos de la industria química. 2. La coyuntura económica y el volumen de negocio de los vendedores. Los fabricantes de equipo están muy ligados por su fabrica, maquinaria y trabajadores especializados. Si los negocios no van bien, muchas veces se ven obligados a ofertar a bajo precio, solamente para obtener un pedido que les permita mantener a su fabrica y obreros ocupados. También, en ocasiones, una compañía puede que quiera entrar en un nuevo capo o recuperar uno en el que ya había estado, por lo que baja los precios. En tales casos los precios ofertados puede que sean mas bajos que en sus propios costos y por tanto menores que los que se podría esperar. Por el contrario, si los fabricantes están trabajando mucho en pedidos rentables, no se preocupan si obtienen o no nuevos
P á g i n a | 54 pedidos. En los años anteriores a la ultima crisis, debido a la fuerte presión ejercida por la construcción de plantas químicas, se debe con frecuencia esta ultima situación. 3. La naturaleza de las relaciones entre el fabricante y el comprador del equipo. sucede a veces, y en la época actual de absorciones y fusiones sucede con harta frecuencia, que suministrador y comprador pertenecen a un mismo grupo de empresas (corporaciones, holding, trust, etc.). en estos casos el comprador no tienen otra alternativa que comprar el equipo de dicho suministrador. No existe competencia con otros proveedores. 3.6.4. Precisión de la estimación de costos preliminar. Las estimaciones de costos de tipo preliminar, y especialmente realizadas por ingenieros de proceso sin la asistencia de profesionales de la estimación de costes, no son precisas. Un intervalo probable de precisión podría ser de -35 % a +25% tendiendo mas a acercarse al limite por defecto. Una estimación final segura debe hacerse en colaboración con estimadores de costos profesionales, y solo después de que se han recibido ofertas de los fabricantes de equipo. la preparación de la estimación fina es un trabajo largo y complicado y realmente no corresponde al ingeniero de proceso. A pesar de la imprecisión inherente en las estimaciones preliminares, estas deben llevarse a cabo. Deben hacerla los ingenieros de proceso y la información que dispongan en aquel momento. No debe realizarse nada hasta que la estimación preliminar de costes haya finalizado. 3.6.5. Una compilación de coste de equipo. En la tabla 3.6.5.1. se incluyen los costos de compra de equipo instalado, para recipientes de proceso. Los costes se han corregido en cuanto a tiempo, refiriéndolos todos al mes de Julio de 1970. Esta lista de costes se ha copilado en base a los trabajadores de Guthrie, Peters and Timmerhaus, y Bauman. Los costes se han tabulado o expresado de forma tal que puede fácilmente calcularse el costo para un determinado tamaño en particular.
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En la tabla anterior a cada concepto se le ha asignado dos costes: 1. El coste de compra, que es el coste ofertado por el constructor del equipo. no incluye ninguno de los gastos que se derivan de cualquier hecho anterior a la instalación en la planta y puesta o punto para su funcionamiento. 2. El costo instalado, que es el costo de compra del equipo mas los gastos en que se incurre hasta que el equipo esta correctamente instalado y verdaderamente listo para funcionar. Se han tabulado los costes de esta manera por dos motivos:
P á g i n a | 56 1. En los cálculos de balances económicos, se necesita utilizar el costo instalado marginal de un equipo en particular y el costo de compra no refleja con exactitud el verdadero coste de colocar un equipo en disposición de funcionamiento en una planta química. 2. Existen varios procedimientos rápidos aproximados que permiten estimar el costo final de la planta a partir de los costos de compra de los equipos. Estos procedimientos son rápidos y bastante exactos para una estimación preliminar y son muy utilizados por lo que se necesita conocer el coste de compra. Además es conveniente tener una estimación del costo de compra de los equipos que permita un chequeo con los precios ofertados por los suministradores. NOTA: Solamente se han incluido los costos de los recipientes de proceso por el interés que se tiene de estos en este trabajo. Pero existen tablas para un gran diversidad de equipos. 3.6.6. Guía rápida para costo de equipo. En la figura 3.6.6.1. se muestra una forma rápida para la determinación del costo de equipo mencionado en la lista adjunta a la figura. En esta tabla se muestran las coordenadas X y Y, las cuales están localizadas en el nomograma de la figura 3.6.6.1; cuando se requiere estimar el costo de un equipo determinado se busca en la tabla, de acuerdo a la capacidad, potencia, etc. Según el tipo de equipo y por medio de las coordenadas X y Y que le correspondan nos vamos al nomograma, se localizan y por medio de una línea intersectamos estos puntos y nos dará el costo aproximado del equipo; estos costos van a estar referidos a los índices Marshall y Stevens para junio de 1960. Estas tablas son muy útiles; pero hay que tomar en cuenta que son muy antiguas y para un trabajo actual, deberemos por algún método poner al día estos costos, considerando por supuesto un margen de error.
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P á g i n a | 60 3.7. Usos industriales de los reactores químicos. 3.7.1. reactores tubulares a) b) c) d) e)
Son generalmente usados para gases y vapores. Cuando se desea una producción continua y grande Para reacciones endotérmicas y exotérmicas. Empacados con catalizadores solidos, actúan como reactores catalíticos de cama fija. Empacados con un reactante solido, actúan como reactores heterogéneos sólido-gas de cama fija.
3.7.2. reactores tipo tanque. a) Son generalmente usados para líquidos. b) Cuando se desea una producción continua. c) Para reacciones medianamente exotérmicas o endotérmicas. 3.7.3. Reactores de lecho móvil. a) Para lograr intercambios de calor intensos, del orden de 8000 a 80 000 kcal/h.m3.0C. b) Para efectuar reacciones catalíticas en las que el catalizador solido se ensucia fácilmente, pero puede regenerarse de modo continuo. c) Se ha utilizado desde hace mucho tiempo para reacciones en las que tomaban partes sólidos. (horno alto, horno de cal). En general se utiliza este reactor cuando el reactante es sólido. 3.7.4. Reactores de lecho fluidizado. 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. 3.7.5. Reactores de lecho fijo. 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.
P á g i n a | 61 3.8 Ventajas de los reactores químicos. 3.8.1. Reactores tubulares. a) b) c) d)
Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores intermitentes. Por lo general su operación es continua. Se facilita el control automático de la producción cuando opera en forma continua. Más eficiente, en general, que el reactor continuo tipo tanque, cuando opera en forma continua.
3.8.2. Reactores continuos tipo tanque. a) b) c) d)
Su costo de operación bajo comparado con el de los intermitentes. Su operación es continua. Se facilita el control automático de la producción. Se tiene una sola temperatura en el sistema de reacción.
3.8.3. Reactor discontinuo. a) Versátil. b) Rendimiento elevado del producto. 3.8.4. Reactor semicontinuo. a) Buen control de temperatura. b) La distribución de productos deseada se obtiene regulando la concentración de un reactivo. 3.8.5. Reactor de lecho fijo. a) Simplicidad de operación. b) Bajo costo de construcción. c) Bajo costo de mantenimiento. 3.8.6. Reactor de lecho fluidizado. a) Temperatura uniforme b) Operación continua con regeneración de catalizador. c) Mayor eficiencia en el contacto solido-fluido. 3.9 Desventajas de los reactores químicos. 3.9.1 Reactores continuos tubulares. 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.
P á g i n a | 62 3.9.2 Reactores continuos tipo tanque. 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. 3.9.3. Reactor discontinuo. a) Costos de operación elevados. b) Producción a pequeña escala. c) Difícil control de calidad del producto. 3.9.4. Reactor semicontinuo. a) Costos de operación elevados. 3.9.5. Reactor de lecho fijo. a) b) c) d) e) f)
Transferencia de calor grande. Difícil mantener una distribución uniforme de flujo. Dificultad para regenerar el catalizador. En lechos fijos grandes resulta difícil el control de temperatura. En reacciones muy exotérmicas es muy probable que se formen zonas calientes o frentes calientes móviles que puedan perjudicar al catalizador. No pueden emplear tamaños muy pequeños de catalizadores debido a la formación de “tapones” y a que originan pérdidas de presión elevadas.
3.9.6. Reactor de lecho fluidizado. a) b) c) d) e) f)
Mayor costo de operación, debido a altas caídas de presión Erosión del equipo (abrasión). Mayor costo de mantenimiento. Formación de burbujas (bajas conversiones) Son adecuadas para emplear partículas de tamaño pequeño como catalizador. Atrición del catalizador.
P á g i n a | 63 CAPÍTULO IV. PROBLEMAS DE APLICACIÓN. Dentro de este tema trataremos la aplicación de los recursos mencionados en el capitulo anterior para la resolución de un problema dado.
PROBLEMA NUMERO 1.
Para un proceso de nitración, cuya finalidad es obtención de nitrobenceno, utilizando benceno y acido nítrico como reactivos en presencia de acido sulfúrico como catalizador; las condiciones de operación son, presión 1 atmosfera, temperatura en un intervalo de 45-95 0C. Se requiere conocer el tipo de reactor adecuado, así como los costos de compra y como equipo instalado, si se necesita un reactor de 3000 galones de capacidad. SOLUCION. Para determinar el tipo de reactor mas adecuado a la reacción, podemos recurrir a la información presentada en la sección 3.4.3 del capitulo 3, donde en base al tipo de reacción recomiendan el tipo de reactor. En el enunciado del problema se observa que los reactivos están en fase liquida y que son sustancias inmiscibles, por ello podemos hablar de una reacción heterogénea líquido-líquido. En el capítulo 3 sección reacciones heterogéneas se proporciona información sobre el tipo de reactor más adecuado para esta reacción, así como tipo de agitador para este reactor. Entonces según esta información se necesita un reactor agitado con turbina y cortacorrientes con un consumo de 5 hp/1000 galones. Una vez determinado el tipo de reactor adecuado, procederemos a la estimación de los costos. Para ello recurriremos a la tabla 3.6.5.1 donde se muestra una información de fácil interpretación y forma sencilla de resolución para la obtención de los dos tipos de costos que se requieren. Tomando como datos la presión, capacidad del tanque y potencia del agitador para la capacidad requerida. En la tabla, para la presión necesaria hay reactores de tres tipos diferentes de material de construcción; tomaremos un tanque de acero inoxidable debido a que estamos trabajando ácidos y por tanto es el mas conveniente. Entonces procedemos a sustituir: Costo del tanque de acero inoxidable: 57 (3000)0.82= 40468.23 dólares Costo del agitador de acero inoxidable: 2000 (15)0.56=9112.57 dólares. COSTO TOTAL DE COMPRA DE REACTOR:
49580.80 dólares.
P á g i n a | 64 Costo del tanque de acero inoxidable: 100 (3000)0.82=70996.9 dólares Costo del agitador de acero inoxidable: 2000 (15)0.56= 9112.57 dólares COSTO TOTAL DEL REACTOR INSTALADO:
80109.47 dólares.
NOTA: Las estimaciones de costos fueron hechas utilizando una tabla de la referencia IV. Con el mismo procedimiento puede realizarse la estimación empleando tablas o graficas con datos actualizados.
PROBLEMA NÚMERO 2.
Son requeridas 2 estimaciones para un reactor enchaquetado con capacidad de 6000 galones; con una presión de operación de 125 psi y una temperatura de 3500F. Las estimaciones se requieren para acero inoxidable 316 y 304. SOLUCIÓN. Resolveremos este problema utilizando una grafica para estimación de costos de equipo publicada en la revista Chemical Engineering correspondiente al mes de abril de 1 962. Se observa que la tabla esta diseñada para una capacidad de hasta 10000 galones y dos tipos de acero inoxidable. Como ordenada tenemos los costos de compra del reactor; resulta entonces muy sencilla la estimación de costos para los reactores de diferentes tipos de acero. Por tanto, tenemos: 1) Para acero inoxidable tipo 316 y una capacidad de 6000 galones, se tiene un costo de 48 500 dólares. 2) Para un acero inoxidable 304 y una capacidad de 6000 galones se tienen un costo de 43000 dólares. Ahora la decisión esta entre los tanques de diferentes aceros en base a su precio y sus características; ya que el acero tipo 316 es mas resistente a la corrosión, y el tipo 304 tiene bajo contenido de carbono, por tanto, es menos resistente a la corrosión y mas bajo en precio; el mejor seria el acero del tipo 316, aunque es posible utilizar el de tipo 304. Tomando en cuenta que un acero de bajo contenido de carbono es poco resistente a la corrosión y el reactor pronto puede dañarse. Estas graficas para la estimación de costos de equipo son publicadas periódicamente por revistas de ingeniería química para distintos tipos de equipo y son una fuente muy rica para estimaciones rápidas de costos.
P á g i n a | 65 A continuación se muestra la grafica para la estimación de los costos del reactor en los dos tipos de acero. La grafica contiene un rango para 0-10000 galones y una presión de 75 psi; para el enchaquetamiento se tienen 125 psi.
PROBLEMA NÚMERO 3.
Se necesita conocer el costo aproximado de un reactor tanque de acero vitrificado para una presión de 50 psig. Ya que se realizara una reacción; pero existe la posibilidad de realizarla también en un reactor de acero inoxidable tipo tanque; por tanto es necesario conocer los precios de los dos reactores para decidir por uno en cuanto al precio. La capacidad requerida es de 2000 galones. SOLUCIÓN. Para la solución de este problema vamos a utilizar el nomograma 3.6.6.1. Ya que en su listado de equipo encontramos lo que se requiere conocer en el problema; entonces tomamos las coordenadas correspondientes y tenemos: 1) Para un reactor de acero vitrificado y 50 psig; X=2.50 y Y=4.10; nos da un costo de 11900 dólares. 2) Para un reactor de acero inoxidable y 50 psig; X=2.30 y Y=4.13; tenemos un costo de 12000 dólares. Entonces podemos decidir por el que resulta mas económico ya que es indistinto para llevar a cabo la reacción.
P á g i n a | 66 NOTA: Los costos estimados en este problema corresponden al año de 1960. Aquí se pretende mostrar otro recurso para cálculo rápido y sencillo de costo de equipo.
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P á g i n a | 69 CONCLUSIONES En la selección del tipo de reactor, los factores técnicos son de importancia considerable; ya que por medio de estos podemos basarnos en la determinación del tipo de reactor mas adecuado, dadas las condiciones de operación. Por ello es de primordial importancia tener definidos factores como el tipo de reacción, la fase en que se llevará a cabo, condiciones de presión, temperatura, y concentración de los reactivos. Definidos el tipo de reactor a utilizar podemos determinar su costo, esto es un factor de gran importancia; podemos agregar también que una misma reacción puede llevarse a cabo no solamente en un mismo tipo de reactor y se puede decidir por alguno en base al costo. Para la determinación del costo de un reactor la característica mas importante es conocer el tamaño del mismo; ya que como se describió en este trabajo las publicaciones para la estimación de costos se basan en el tamaño del mismo y el material de construcción; por lo general las graficas y nomogramas publicados son capacidad contra costo. A lo anterior dicho podemos agregar: 1. Si el reactor se hace grande, el tiempo de reacción será elevado. El coste del reactor será elevado con cargas elevadas relativas a la inversión de capital. Otra consecuencia es la elevada conversión, esto significa costes menores de separación y recirculación. Con un reactor grande, el coste de la operación tendera hacia valores elevados debido a los rendimientos pobres y al coste grande de inversión del capital del reactor. 2. Si el reactor es pequeño, el tiempo de reacción será corto, las conversiones será bajas, y (normalmente) el rendimiento del producto será alto; solo habrá una pequeña cantidad de subproducto. El coste del reactor será bajo, así como las cargas asociadas con la inversión del capital. Por otro lado, una conversión baja conduce a costes elevado para la separación del reactante y recirculación y una inversión superior en el equipo de separación. Por ello es de gran importancia seleccionar adecuadamente el tamaño y tipo de reactor: el equipo en una industria tiene una importancia enorme ya que por medio de él podemos llevar a cabo las operaciones y procesos para obtener los productos requeridos y deseados. El presente trabajo tiene como fin el mostrar la forma en que se lleva a cabo la selección de reactores químicos; así como mostrar los factores que intervienen en dicha selección; se pretende dar una visión de los pasos a seguir para seleccionar equipo para la industria química.
