Reactor químico

Reactor químico

Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para

maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada

por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, se habla de biorreactores. El diseño de un reactor

químico requiere conocimientos de termodinámica, cinética química, transferencia de masa y energía, así como de

mecánica de fluidos; balances de materia y energía son necesarios. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo

de reactor, así como el método de operación, además en base a los parámetros de diseño se espera poder predecir con

cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones, por ejemplo un salto en escalón en la

composición de entrada.

Tipos de reactores químicos

Existen varias formas de clasificarlos:

Según el modo de operación

• Reactores discontinuos: son aquellos que trabajan por cargas, es decir se introduce una alimentación, y se espera

un tiempo dado, que viene determinado por la cinética de la reacción, tras el cual se saca el producto.

• Reactores continuos: son todos aquellos que trabajan de forma continua.

Según el tipo de flujo interno

• Reactores ideales: suelen ser descritos con ecuaciones ideales sencillas y no consideran efectos físicos más

complejos o perturbaciones pequeñas.

• Reactores no ideales: consideran el patrón de flujo, la existencia de zonas muertas dentro del reactor donde el

material no circula, además consideran una dinámica de fluidos más compleja, suelen describirse conociendo la

cinética de las reacciones, la RTD (distribución de edad del fluido) del flujo, el tipo de mezclado pudiendo ser

este tardío o inmediato, y conociendo si el tipo de fluido es micro o macro fluido.

Según las fases que albergan

• Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas.

• Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-sólido, líquido-sólido, gas-líquido, gas-líquido-sólido.

Idealmente, pueden suponerse tres tipos de reactores homogéneos:

Reactor Batch

símbolo reactor Batch

Trabajan en estado no estacionario y el más sencillo sería un tanque agitado. Este reactor

tiene la ventaja de que su costo de instrumentación es bajo, además de ser flexible en su uso

(se le puede detener de modo fácil y rápido). Tiene la desventaja de un elevado costo en su

funcionamiento y de mano de obra debido a la gran cantidad de tiempo que se pasa parado

debido a la carga, descarga y limpieza; Además no siempre es posible implementar un

sistema de control adecuado. Este reactor suele usarse en pequeñas producciones o pruebas

piloto. Asumiendo que en un reactor batch la composición es uniforme en cualquier instante

y basándose en la selección de un componente limitante; Las ecuaciones de diseño para este

tipo de reactor en estado estacionario se deducen de la siguiente forma (se toma como

Reactor químico 2

Vista de un recipiente

de agitación

esmaltado

ejemplo la especie molar A): [1]

Siendo V el volumen del fluido en el reactor y la velocidad de reacción para el

componente limitante. Evaluando los términos de la ecuación anterior se puede calcular el

tiempo de residencia necesario para alcanzar la conversión deseada.

donde X representa la conversión lograda

y está relacionada con la concentración, están relacionadas por:

X toma un valor entre 0 y 1

Para aquellas reacciones en las que el volumen de la mezcla cambia proporcionalmente a la

conversión la ecuación se transforma en

Siendo una constante representativa del cambio del volumen en relación con la conversión, en términos

matemáticos: para cambios en otros componentes se tiene:

Aparte del tiempo de reacción, en un proceso industrial debe añadirse el tiempo de carga, descarga y limpieza para

un este tipo de reactores y en general procesos en lotes.

El balance de energía para este tipo de reactor ofrece 3 posibilidades que dependen del modo de operación y de las

exigencias de producción requeridas.

• modo politrópico:

• modo isotérmico:

• modo adiabático:

Al mencionar servicio se hace referencia a los servicios térmicos, como ejemplo se puede mencionar el sistema de

calentamiento por vapor, o el uso de un intercambiador de chaqueta en un recipiente.

Reactor continuo tipo tanque agitado (CSTR)

Símbolo usado para

representar un reactor

CSTR

Estos reactores trabajan en estado estacionario, es decir, que sus propiedades no varían con el

tiempo. Este modelo ideal supone que la reacción alcanza la máxima conversión en el

instante en que la alimentación entra al tanque. Es decir, que en cualquier punto de este

equipo las concentraciones son iguales a las de la corriente de salida. Además para este tipo

de reactor se considera que la velocidad de reacción para cualquier punto dentro del tanque es

la misma y suele evaluarse a la concentración de salida. Para este reactor suele asumirse que

existe un mezclado perfecto, en la práctica esto no es así, pero puede crearse un mezclado de

alta eficiencia que se aproxima a las condiciones ideales.

El

...