Introducción a Reactores

Alumno. Edward Dayan Gomez Reyes.Materia. Análisis de Reactores y Catálisis Industrial.Docente. Hernandez Fernandez Francisco j.

Introducción

• Con el progreso de los últimos años, aumento el uso de las reacciones químicas para determinados productos.

• Los reactores son equipos que nos permiten controlar una reacción y aprovechar el calor generado.

Objetivo

¿Conocer las principales tipos de reactores?

¿Conocer los criterios de selección de un reactor?

¿Estudiar la influencia de la calor en los reactores?

Marco Teórico

3.1. Reactor Químico. Un reactor químico es una unidad de proceso diseñado para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas.

Los reactores químicos tienen como funciones principales:

• Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

• Proporcionar el tiempo suficiente de contacto.

• Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

3.2. Reacción Homogénea y Heterogénea.

Las Reacciones Químicas pueden dividirse en:

• Reacción Homogénea involucra solo una fase.

• Reacción Heterogénea cuando se involucra más de una fase para que la reacción se lleve a cabo.

3.3. Reactores homogéneos y heterogéneos.

En los reactores homogéneos existe solo una fase, generalmente de gas o liquido.

En los reactores heterogéneos están presentes dos, o incluso tres fases, son ejemplos corrientes los sistemas gas-liquido, gas-solido, liquido-solido y liquido-liquido.

3.4. Reactor continuo y discontinuo.

3.4.1. Reactor continuo.

En estos sistemas todos los reactivos son continuamente cargados al reactor y los productos son continuamente descargados.

Trabajan en condiciones estacionarias, en las que tanto el calor generado como la composición permanecen constantes durante la operación.

Los procesos continuos tienen una principal ventaja, la economía de escala.

3.4.2. Reactor discontinuo.

En los reactores discontinuos, todos los reactivos son cargados inicialmente en el reactor y la reacción continúa entonces hasta completarse.

La ventaja clave es la flexibilidad de este tipo de procesos.

3.4.3. Comparación entre los reactores discontinuos y continuos.

En la etapa de diseño de un proceso, una de las elecciones que hay que hacer, es la de que se va a usar.

La selección del tipo de proceso suele venir dada por consideraciones como, por ejemplo, el tamaño de la planta y la complejidad relativa.

Tabla 1. Comparación entre procesos continuo y discontinuo.

Características Continuo Discontinuo

Operación de procesoOcurre continua y simultáneamente.

Ocurre una secuencia específica.

Diseño de equipo, usoDiseñado para producir productos específicos.

Diseñado para ser capaz de producir muchos productos.

Producto Un flujo continuo. Una cantidad limitada (lote).

EntornoUsualmente estado fijo con presión, flujo, etc, constantes.

Variable, a menudo cambiando notablemente entre operaciones.

Intervención del operador

Principalmente, para corregir condiciones anormales.

Necesario regularmente como parte de las operaciones de proceso.

3.5. Tipos de Reactores Químicos.

Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes:

• REACTOR TUBULAR. • TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA.• REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. • REACTOR DE LECHO FIJO. • REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. • REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. • REACTOR DE BURBUJAS. • REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIÓN. • REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. • REACTORES DE RECIRCULACIÓN. • REACTORES DE MEMBRANA. • FERMENTADORES.

3.6. Elección del Reactor.

Para un mejor análisis y para una buena elección se tomaran en cuenta los principales tipos de reactores que existen.

Tabla 2. Comparación entre diferentes tipos de reactores.

PFR CSTR Discontinuo Semi-Discontinuo

Ventajas

Bajo Inventario.Condiciones estacionarias.

Condiciones estacionarias.La agitación suministra una herramienta de seguridad.El flujo puede se diluido para ralentizar la reacción.

La agitación suministrada una herramienta de seguridad.

Velocidad de adición controlable.La agitación suministra una herramienta de seguridad.Gran exotermia controlable.

Desventajas

Dependencia del proceso.Posibles puntos calientes.Agitación presente solo si son disponibles mezcla en línea.Difícil de diseñar.

Gran inventario.Difícil de enfriar grades masas.Difícil empezar y detener.Problemas de precipitación.Bajo rendimiento.

Grandes exotermias difícil de controlar.Grandes inventarios.Todos los materiales.

La temperatura de inicio es critica (si es muy baja, se acumulan reactivos).Problemas de precipitación.

Las características que determinan la elección de un proceso continuo (PFR y CSTR) son:

•Para una velocidad dada de producción, los materiales reactivos se van añadiendo al sistema en pequeñas cantidades.

•Los productos intermedios son consumidos tan rápidamente como se forman, minimizando el riesgo si éstos son peligrosos.

• No varían las condiciones del proceso con el tiempo, el proceso automático se puede ampliar mas fácilmente.

• El equipo de proceso no está sujeto a fluctuaciones cíclicas de presión y temperatura.

• Cuando puedan tener lugar dos reacciones paralelas, pero sólo interesa una de ellas, un proceso continuo dará rendimientos más elevados.

Las características que determinan la elección de un proceso discontinuo o batch son:

•Cuando están involucradas operaciones peligrosas, las unidades deben ser aisladas unas de otras.

•Cuando la seguridad depende de la pureza del producto, un proceso discontinuo puede ser ventajoso .

• Si el producto deseado se descompone por una reacción consecutiva, el rendimiento será más alto en un reactor discontinuo, que en uno semi-discontinuo.

• Si la producción de calor por unidad de masa es muy alta, la reacción puede entonces transcurrir bajo control de modo seguro sólo en un reactor semi-discontinuo.

3.7. Influencia del calor de reacción sobre el tipo de reactor.

En todo cambio químico es acompañado por un calor de reacción, que solamente en algunos casos están pequeño que puede despreciar.

En el diseño de un reactor, hay dos cuestiones muy importantes que plantearse.

a)¿Cual es el calor de reacción?

b) ¿Cual es el intervalo aceptable en el que puede permitirse que varié la temperatura?

3.7.1. Reactores Adiabáticos.

Figura 1. Planta de reformado catalítico de nafta de petróleo.

3.7.2. Reactores con transmisión de calor.

Figura 2. Reactor discontinuo en los que se indican métodos diferentes de calentamiento y enfriamiento.

Figura 3. Métodos de transmisión de calor a reactores tubulares.

3.7.3. Operación de reactores autotérmicos.

Si para que la reacción tenga lugar a una velocidad razonable se requiere temperaturas elevadas, los productos de reacción abandonaran el reactor a una temperatura alta y en interés de la economía, se trata de recuperar calor a partir de los mismo.

Esto puede realizarse de distintas forma, según se indica en la figura 4. En reactor tubular dicho reactor puede conseguir por intercambio externo de calor, como en el figura 4b.

En ambos casos se trata de reactores catalíticos por tratarse de estos reactores, la reacción puede tener lugar únicamente en la zona ocupada por el catalizador, de forma que el perfil de temperatura tiene la forma indicada a lo largo del reactor.

Figura 4. Operación de reactores autotérmicos.

4. CONCLUSIONES

• Dentro de los principales tipo de reactores están los: Reactor tubular, Tanque con agitación continua, Reactor de lecho fluidizado, Reactor de lecho fijo, Reactor de lecho con escurrimiento, Reactor de lecho de carga móvil, Reactor de burbujas, Reactor con combustible en suspensión, Reactor de mezcla perfecta, Reactores de recirculación, Reactores de membrana, Fermentadores. Para la determinación de qué reactor se puede usar se debe tomar en cuanto el proceso donde se desea incorporar y las condición del procesos.

• Dentro de los diferentes tipos de reactores, vamos a tomar en cuenta estos cuatro tipos de reactores que nos ayudara a tener unos mejores criterios de selección según el proceso donde se desee incorporarlos. Los Reactores más usado en la industria química son; reactor de flujo pistón o tubular “plug flow” (PFR) o reactores de tanque continuamente agitado (CSTR , los reactores discontinuos y semi discontinuo. Estos criterio de selección se pueden observa en el presente cuadro

PFR CSTR Discontinuo Semi-Discontinuo

Ventajas

Bajo Inventario.Condiciones estacionarias.

Condiciones estacionarias.La agitación suministra una herramienta de seguridad.El flujo puede se diluido para ralentizar la reacción.

La agitación suministrada una herramienta de seguridad.

Velocidad de adición controlable.La agitación suministra una herramienta de seguridad.Gran exotermia controlable.

Desventajas

Dependencia del proceso.Posibles puntos calientes.Agitación presente solo si son disponibles mezcla en línea.Difícil de diseñar.

Gran inventario.Difícil de enfriar grades masas.Difícil empezar y detener.Problemas de precipitación.Bajo rendimiento.

Grandes exotermias difícil de controlar.Grandes inventarios.Todos los materiales.

La temperatura de inicio es critica (si es muy baja, se acumulan reactivos).Problemas de precipitación.

• Según la reacción que conlleve un determinado proceso, se debe tomar en cuenta la energía que genera la reacción y el calor que es expulsado por dicha reacción. Para esto se debe tomar en cuenta si la reacción es muy exotérmica, si es así se puede introducir intercambiadores de calor al proceso, o camisas o serpentines en el reactor donde estos no ayudan a tener un mejor control de la reacción y así evitamos que se arruine el proceso. Hay que tomar en cuenta que como todo proceso se puede determinar el comportamieto de las reacción para ayudarno a entender mejor con se comporta dicha reacción tenemos a la termodinámica con el equilibrio químico y la cinetica química.

5. BIBLIOGRAFÍA

1. Jesús M. Santamaría y Javier Herguido, Ingeniería de reactores, Editorial Síntesis 2002.

2. J.M. Coulson y J.F. Richardson, Diseño de reactores químicos Tomo III, Editorial Reverte S.A., 1984.

3. H. Scott Folgler, Elements of Chemical Reacction Enegineering Third Edition, Prentice-Hall International editions,1999

4. Dr. Rogelio Cuvas García, Introducción a los Reactores Químicos.

5. Denbing K.G., Introduccion a la teoría de los reactores químicos, 1990.

6. Henry Mendiburu Diaz, Reactores químicos.