Introducción a los reactores químicos

01/09/2009
Introducción a los reactores químicos
Dr. Rogelio Cuevas García
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Reactores Químicos
Reactor Químico
Es el dispositivo donde ocurre un cambio en la
composición debido a la reacción química.
„
Por lo tanto es cualquier recipiente donde ocurre una
reacción química.
El problema de la Ingeniería de reactores es realizar el
diseño más adecuado, con una metodología
independiente
p
del tamaño y reacción q
que se lleva a cabo
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Definiciones útiles Generales
„SISTEMA
HOMOGÉNEO:
É
Aquel que presenta
una sola fase y por tanto su composición es
idéntica en cualquier parte del sistema.
„SISTEMA
HETEROGÉNEO: Cuando se requiere
la presencia de más de una fase para que la
reacción se lleve a cabo.
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Definiciones útiles:
„
FASE: región
g
uniforme en un sistema. Esto significa
g
propiedades físicas uniformes y composición química
uniforme.
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Definiciones útiles
Basándose
B
á d
en las
l definiciones
d fi i i
anteriores
t i
podemos
d
clasificar
l ifi
l tipos
los
ti
de reacciones en:
„
REACCIÓN HOMOGÉNEA: Involucra una sola fase.
„
REACCIÓN HETEROGÉNEA: Cuando se requiere más de una
fase para que la reacción se lleve a cabo. Por lo tanto, puede
Involucrar más de dos fases
Entonces de acuerdo a lo anterior podemos encontrar reactores que
operen con reacciones heterogéneas u homogéneas. Dentro de los
g
los reactores catalíticos,, q
que operan
p
con la
reactores heterogéneos
presencia de catalizador, y los reactores no catalíticos.
Al existir más de una fase se deben tomar en cuenta los fenómenos de
transferencia de masa y energía.
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Clasificación de los Reactores Químicos
Reactores
homogéneos
heterogéneos
Catalíticos
No Catalíticos
Sólido-Gas
Sólido-Gas
Líquido-Gas
Liquido-Gas
Sólido-liquido-gas
Sólido -Liquido
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Diferentes definiciones de tiempo
En Ingeniería de reactores se utiliza el concepto de elemento de
volumen
„ Elemento de volumen: región del sistema (elemento de fluido)
donde las propiedades del mismo pueden considerarse constantes.
„
El tiempo de residencia (t) de un elemento del fluido es el tiempo
que permanece dentro de un recipiente. En nuestro caso, el tiempo
que permanece dentro del reactor. Más específicamente, el tiempo
efectivo de reacción.
En los reactores químicos, en algunas ocasiones el tiempo de
residencia es igual para todos los elementos del fluido y en otras se
presenta una distribución de tiempos de residencia (DTR) o RTD
(por sus siglas en ingles: residence time distribution).
„
El tiempo de residencia promedio es el promedio de los tiempos
de residencia de todos los elementos de fluido.
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Diferentes definiciones de tiempo
„
„
Solamente para sistemas de flujo
Tiempo espacial (τ) es el tiempo requerido para que
un volumen de alimentación igual al volumen del
reactor pase a través del recipiente. Este parámetro se
mide en condiciones arbitrarias, usualmente, en las
condiciones de alimentación. El tiempo espacial es,
generalmente, utilizado como una cantidad p
g
para
escalar el volumen del reactor; pero las condiciones de
reacción deben de ser iguales punto por punto en el
escalamiento.
Finalmente, la velocidad espacial (SV) se define
como el reciproco del tiempo espacial y representa,
entonces,
t
ell número
ú
d volúmenes
de
lú
d alimentación
de
li
t ió
que se tratan en el reactor por unidad de tiempo. Por
lo tanto, sus dimensiones son: tiempo-1.
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Clasificación de los Reactores Químicos
Clasificación de los rectores químicos de acuerdo al
modo de operación.
Aquí los reactores se dividen en:
„a) Intermitentes, por lotes o batch.
„b) Continuos
„c) Semi-continuos o reactores de flujo no estacionario.
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Clasificación de los Reactores Químicos
En el reactor intermitente.
intermitente Durante su manejo en este tipo de reactor
se realizan las siguientes operaciones:
1. Se agrega una carga de reactivos.
2. Se lleva el reactor a condiciones de operación.
3. Se mantiene a estas condiciones por un lapso de tiempo
determinado (máximo días), durante los cuales se realiza la
reacción.
reacción
4. Se lleva al reactor a las condiciones necesarias para descargar el
producto.
5. Se lava el reactor.
Con los cinco pasos anteriores se conforma el llamado ciclo de
operación La característica principal en los reactores de este tipo
operación.
es la variación de las concentraciones dentro del reactor con el
tiempo.
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Clasificación de los Reactores Químicos
Reactores continuos
1
1.
Un flujo estable de alimentación de reactivos y un flujo estable
de salida de productos.
2. Para una posición fija a través del tiempo, no varía el grado de
reacción y al variar el tiempo se tienen distintas composiciones.
De estas características se deduce que
1
1.
el reactor continuo permite tener un mejor control sobre la
calidad de los productos, lo cual los hace ideales en el caso de
que se desee lograr producciones grandes.
2. Los costos de instalación y construcción son altos porque entre
otras cosas, se requiere un gran sistema de control, pero los
costos de operación son bajos.
Este tipo de reactores se utilizan en las industrias con altos
volúmenes de producción como la refinación del petróleo.
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Elección del rector en cuanto a modo de
operación
Operación Intermitente
Operación Continua
Volúmenes de producción bajos.
Costos de inversión bajos:
a) Construcción relativamente
simple.
b) Sistema de control sencillo
Mayor volumen de producción.
Costos de inversión alto
a) Construcción especifica.
b) Sistemas de control avanzado
Costos variables altos
a) Costos de mano de obra
(cargado, vaciado, limpieza,
etc.)
Costos de operación bajos
a) Poco (supervisión
instrumental), se reducen los
riegos de error (humano) de
operación
E
Específicos
ífi
por producto
d t
Flexibilidad
Fl
ibilid d en lla producción
d
ió
(diferentes productos en el mismo
equipo)
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Usos comunes basados en el modo de operación
Operación intermitente
Operación continua
Obtención de cinéticas de
reacción (debido a la fácil
interpretación de los datos)
Diseño especifico
Flexibilidad (productos de
temporada)
Requieren que las
especificaciones del producto no
se alteren en gran medida a través
del tiempo
Fabricación de productos de alto
costo
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Estimado el % de uso de los reactores para algunas
industrias
Sector Industrial
Modo de operación
Discontinuo
Químico
45
Alimentación
65
Farmacéutico
80
Metalúrgico
35
Vidrio y cemento
35
Papel
15
Refinación
5
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Continuo
55
35
20
65
65
85
95
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Clasificación de acuerdo al modo de
operación
En los reactores se presentan dos opciones
respecto al método de contacto de las
corrientes de flujo
„ Se hace todo lo posible para lograr que las
corrientes
del
reactor
se
mezclen
completamente (mezcla completa).
„ Se evita que las corrientes de flujo se
mezclen
l (flujo
(fl j pistón).
i tó )
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clasificación de los reactores químicos
a) Reactores Intermitentes (de mezcla completa)
b)) Reactores de mezcla completa
p
((ideal))
c) Reactores de flujo pistón
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Clasificación de los Reactores Químicos
Clasificación de acuerdo al modo de operación
Reactor de flujo pistón
Reactores con agitación ideal
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Clasificación de los Reactores Químicos
Clasificación en base a
condiciones de mezclado
„Reactores
de Mezcla
Completa (Ideal).
Se realiza todo lo
posible
para
tener
mezcladas todas las
corrientes dentro del
reactor.
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Condiciones para alcanzar el mezclado
cercano al ideal
1. Relación L/D
2. Velocidad de agitación
3. Viscosidad del fluido
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Clasificación de los Reactores Químicos
Clasificación en base a condiciones de mezclado
„Reactor
de flujo pistón:
No se realiza ningún
intento para mezclar las
corrientes de proceso.
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Clasificación de los reactores Químicos
Reactor intermitente de tanque agitado.
El reactor intermitente de tanque agitado
conocido también, por facilidad, como Reactor
Intermitente y asimismo como Reactor Batch
(RB), es usado a menudo en investigaciones
cinéticas dentro del laboratorio; sin embargo,
también se le puede encontrar en operaciones
industriales.
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Reactor intermitente (RB)
„
Reactores intermitentes de laboratorio
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Reactores intermitentes industriales
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Reactores intermitentes industriales
Tomado de Wallas, diseño de equipo de proceso.
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Reactor Intermitente (RB)
Si consideramos detenidamente la forma en que se opera este
reactor obtenemos como sus principales características a las
siguientes:
„
„
„
El reactor intermitente es un sistema cerrado; por lo tanto la
masa total del mismo es constante.
El tiempo de residencia (t) de todos los elementos del fluido es
el mismo.
L operación
La
ió de
d este tipo
i
d reactor es inherentemente
de
i h
en
estado no estacionario; pues las concentraciones cambian con
el tiempo.
A ⎯⎯
→B
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Reactor Intermitente (RB)
„Sin
embargo, y debido a la agitación puede asumirse
que la composición
q
p
y la temperatura
p
son homogéneas
g
dentro del reactor. Lo anterior implica que puede
considerarse a todo el reactor como el elemento de
volumen
„La
energía dentro de cada “carga” cambia (de acuerdo a
como se esta llevando a cabo la reacción).
ó ) Es posible la
adición de un intercambiador de calor para controlar la
temperatura.
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Reactores de mezcla completa
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Reactor ideal de mezcla completa (CSTR)
Reactor ideal de mezcla completa:
T bié conocido
También
id como: Reactor
R
t de
d mezcla
l completa
l t de
d
flujo continuo, reactor de tanque agitado y por sus
siglas en ingles CSTR (Continuos Stirred Tank
Reactor), CFSTR (Continuos Flow Stirred Tank
) C*.
Reactor),
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Reactor de mezcla completa (CSTR)
Debido a las propiedades del flujo este reactor presenta las siguientes
características:
1. Dado que se presenta una agitación eficiente y el fluido dentro del
recipiente esta uniformemente mezclado (por tanto, todos los
elementos de fluido están uniformemente distribuidos), todos los
elementos del fluido tienen la misma probabilidad de abandonar el
reactor en cualquier tiempo.
2. Existe una distribución de tiempos de residencia (RTD). Dicha
distribución puede apreciarse intuitivamente considerando lo
siguiente:
(i) Un elemento de fluido puede moverse directamente desde la
entrada a la salida, puede existir un tiempo de residencia muy corto.
(ii) Otro elemento del fluido puede participar en el movimiento de
reciclado producto de la agitación y por lo tanto presentar un tiempo
de residencia largo. Dicha distribución puede representarse
matemáticamente
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Reactor de mezcla completa (CSTR).
3 C
3.
Como consecuencia
i de
d la
l agitación
i ió
eficiente
las
propiedades
(concentración,
temperatura
y
rapidez de reacción) dentro del
reactor son uniformes. Se puede
observar q
que la corriente de salida
también
presenta
las
mismas
propiedades que el fluido dentro del
recipiente.
4. Como consecuencia de (3) debe
existir un cambio en escalón desde el
valor
l de
d entrada
t d all valor
l de
d salida
lid de
d
cualquier propiedad del sistema.
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Reactor de mezcla completa (CSTR).
4
4.
5.
La densidad
L
d
id d en ell sistema
i
d flujo
de
fl j no es necesariamente
i
constante. Es decir la densidad de las corrientes en la entrada
puede ser diferente de la densidad en las corrientes de salida.
Puede adicionarse un intercambiador de calor para controlar la
temperatura.
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Corte de reactor CSTR industrial
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Ejemplos reactores CSTR industriales
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Ejemplos reactores CSTR industriales
Nitrador Hough de hierro
fundido con túneles exteriores
(Grogins(1), cortesia McGrawHill book
b k company, New,
N
Y k)
York)
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Ejemplos reactores CSTR industriales
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Control de temperatura en reactores CSTR
(a) enchaquetado, (b) serpentín interno, (c) tubos internos, (d)
intercambiador de calor externo, (e) condensador externo con reflujo, (f)
calentador a fuego directo.
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Reactores de flujo pistón (PFR)
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Reactores de flujo pistón (PFR)
También recibe los nombres de: Reactor tubular o
PFR (Plug Flow Reactor).
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Reactor de Flujo pistón (PFR)
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Reactores de flujo pistón (PFR)
Reactor de Flujo Pistón:
No se realiza ningún intento para mezclar las corrientes de
proceso.
„
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Ejemplos de reactores de flujo pistón industriales
Horno de Schoenherr para la
obtención de NO a partir del aire
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Reactor de flujo pistón
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Reactores de flujo pistón (PFR)
„
„
„
„
1) No
N existe
i t mezclado
l d axial
i l del
d l fluido
fl id dentro
d t del
d l
recipiente.
2) Las propiedades del fluido, incluyendo la
velocidad de flujo, en el plano radial (perpendicular
al sentido de flujo) son uniformes. Esto puede
lograrse si existe un mezclado completo en esa
dirección.
3) La densidad de las corrientes puede cambiar en
la dirección del flujo.
4) Puede
P d existir
i i transferencia
f
i de
d calor
l a través
é de
d
las paredes del reactor.
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Reactores de flujo pistón (PFR).
Las consecuencias
L
i d
dell modelo
d l
que presenta esas características
son las siguientes:
„(a). Todos los elementos de
fluido presentan el mismo tiempo
de residencia
residencia, (t)
(t). No existe
dispersión en los tiempos de
residencia.
„(b).
Las
propiedades
del
sistemas
(tómese
CA,
por
ejemplo) cambian continuamente
en la dirección del flujo.
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Reactores de flujo pistón (PFR)
„
„
((c).
) En
E la
l dirección
di
ió axial
i l (z),
( ) cualquier
l i porción
ió
de fluido se comporta como un sistema
cerrado en movimiento. Esto es, no
intercambia material con porciones de fluido
que circulan antes o después.
después
(d) El volumen de un elemento no es
necesariamente constante cuando circula a lo
largo del recipiente. El cambio de volumen
puede deberse a cambios en T,
T P y el número
de moles debido a la reacción.
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Desviaciones al comportamiento ideal
Reactores PFR
Mal diseño en las
boquillas de
entrada
Flujo Laminar
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Canalizaciones
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Desviaciones al comportamiento ideal
CSTR
Z
Zonas
estancadas
t
d
Canalizaciones
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