REACTORES QUIMICOS

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REACTORES QUIMICOS Los reactores, en los que los productos químicos se hicieron en la industria, varían en tamaño desde unos pocos cm 3 a las vastas estructuras que a menudo se representan en las fotografías de las plantas industriales. Por ejemplo, los hornos que producen cal de piedra caliza pueden ser más de 25 metros de altura y mantener, al mismo tiempo, más de 400 toneladas de materiales. El diseño del reactor está determinada por muchos factores, pero de particular importancia son la termodinámica y la cinética de las reacciones químicas que se llevan a cabo. Los dos tipos principales de reactor se denominan por lotes y continua. Reactores discontinuos Reactores discontinuos se utilizan para la mayoría de las reacciones llevadas a cabo en un laboratorio. Los reactivos se colocan en un tubo de ensayo, frasco o vaso de precipitados. Se mezclan juntos, a menudo se calienta para que la reacción tenga lugar y luego se enfrían. Los productos se vierten a cabo y, en caso necesario, purificarse. Este procedimiento también se lleva a cabo en la industria, la diferencia clave es uno de tamaño de reactor y las cantidades de reactivos.

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Tipos y modelos de Reactores Químicos

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REACTORES QUIMICOSLos reactores, en los que los productos qumicos se hicieron en la industria, varan en tamao desde unos pocos cm3a las vastas estructuras que a menudo se representan en las fotografas de las plantas industriales.Por ejemplo, los hornos que producen cal de piedra caliza pueden ser ms de 25 metros de altura y mantener, al mismo tiempo, ms de 400 toneladas de materiales.El diseo del reactor est determinada por muchos factores, pero de particular importancia son la termodinmica y la cintica de las reacciones qumicas que se llevan a cabo.Los dos tipos principales de reactor se denominanpor lotesycontinua.Reactores discontinuosReactores discontinuosse utilizan para la mayora de las reacciones llevadas a cabo en un laboratorio.Los reactivos se colocan en un tubo de ensayo, frasco o vaso de precipitados.Se mezclan juntos, a menudo se calienta para que la reaccin tenga lugar y luego se enfran.Los productos se vierten a cabo y, en caso necesario, purificarse.Este procedimiento tambin se lleva a cabo en la industria, la diferencia clave es uno de tamao de reactor y las cantidades de reactivos.

La Figura 1 ilustra un reactor discontinuo.Despus de la reaccin, el reactor se limpia lista para otro lote de reactivos que se aade.Reactores discontinuos se utilizan generalmente cuando una empresa quiere producir una gama de productos que impliquen diferentes reactivos y condiciones del reactor.A continuacin, puede utilizar el mismo equipo para estas reacciones.Ejemplos de procesos que utilizan reactores discontinuos incluyen la fabricacin decolorantesymargarina.Figura 2 Los colorantes que se producen en un reactor discontinuo.La parte superior del reactor es a nivel del suelo y el resto del reactor se suspende por debajo de ella.Por la amable autorizacin de BASF.

Reactores continuosUna alternativa a un proceso por lotes es alimentar los reactivos continuamente en el reactor en un punto, permitir que la reaccin tenga lugar y retirar los productos en otro punto.Debe haber una tasa de flujo igual de reactivos y productos.Mientrasreactores continuosrara vez se utilizan en el laboratorio, un ablandador de agua puede beregarded como un ejemplo de un proceso continuo.El agua dura de la red elctrica se pasa a travs de un tubo que contiene una resina de intercambio inico.La reaccin se produce por el tubo y el agua blanda derrama en la salida.

La Figura 3 ilustra un reactor continuo.Reactores continuos normalmente se instalan cuando se producen grandes cantidades de un producto qumico.Es importante que el reactor puede funcionar durante varios meses sin una parada.El tiempo de residencia en el reactor es controlada por la velocidad de alimentacin de los reactivos al reactor.Por ejemplo, si un reactor tiene un volumen de 20 m3y la velocidad de alimentacin de los reactivos es 40 m3h-1el tiempo de residencia es de 20 m3/40m3h-1= 0,5 h.Es fcil de controlar con precisin la velocidad de flujo de reactivos.El volumen se fija y por lo tanto el tiempo de residencia en el reactor est tambin bien controlada.El producto tiende a ser de una calidad ms consistente de un reactor continuo, porque los parmetros de reaccin (por ejemplo, tiempo de residencia, temperatura y presin) se controlan mejor que en operaciones por lotes.Tambin producen menos residuos y requieren mucho menor almacenamiento de materias primas y productos resultantes en una operacin ms eficiente.Los costos de capital por tonelada de producto producido en consecuencia son ms bajos.La principal desventaja es su falta de flexibilidad una vez que el reactor se ha construido es slo en casos raros que se puede utilizar para llevar a cabo una reaccin qumica diferente.Tipos de reactores continuosLa industria utiliza varios tipos de reactores continuos.(A) Los reactores tubularesEn un reactor tubular, fluidos (gases y / o lquidos) fluya a travs de ella a altas velocidades.A medida que el flujo de reactivos, por ejemplo a lo largo de un tubo caliente, se convierten a los productos (Figura 4).A estas velocidades altas, los productos no son capaces de difundirse hacia atrs y hay poca o ninguna mezcla de nuevo.Las condiciones se conocen como flujo de tapn.Esto reduce la aparicin de reacciones laterales y aumenta el rendimiento del producto deseado.Con una velocidad de flujo constante, las condiciones en cualquier punto permanecen constantes con el tiempo y los cambios en el tiempo de la reaccin se miden en trminos de la posicin a lo largo de la longitud del tubo.La velocidad de reaccin es ms rpida en la entrada de la tubera debido a que la concentracin de los reactivos est en su nivel ms alto y la velocidad de reaccin se reduce a medida los reactivos fluyen a travs de la tubera debido a la disminucin en la concentracin del reactivo.Figura 4 Un reactor tubular utilizado en laproduccin de metil 2-methylpropenoate.El reactor se calienta mediante vapor de alta presin que tiene una temperatura de 470 K y se alimenta en el reactor en el punto 1 y sale del reactor en el punto 2. Los reactivos fluyen a travs de los tubos.

Se utilizan reactores tubulares, por ejemplo, en elcraqueo con vaporde etano, propano y butano y nafta para producir alquenos.(b) los reactores de lecho fijoUn catalizador heterogneo se utiliza con frecuencia en la industria en la que fluyen los gases a travs de un catalizador slido (que es a menudo en la forma de pequeos grnulos paraincrementar el rea superficial).Se describe a menudo como un lecho fijo de catalizador (Figura 5).Entre los ejemplos de su uso son lafabricacin de cido sulfrico(el proceso de contacto, con el vanadio (V) de xido como catalizador), elmanufacure de cido ntricoy de lafabricacin de amonaco(el proceso Haber, con hierro como catalizador).

La Figura 5 ilustra un reactor de lecho fijo.Un ejemplo adicional de un reactor de lecho fijo es enreformado cataltico de naftapara producir alcanos de cadena ramificada, cicloalcanos e hidrocarburos aromticos utilizando generalmente de platino o una aleacin de platino-renio sobre un soporte de almina.(C) los reactores de lecho fluidoUn reactor de lecho fluido se utiliza a veces por lo que las partculas de catalizador, que son muy bien, se sientan en una placa distribuidora.Cuando los reactivos gaseosos pasan a travs de la placa distribuidora, las partculas se llevan con los gases que forman un fluido (Figura 6).Esto asegura muy buena mezcla de los reactivos con el catalizador, con muy alta contacto entre las molculas gaseosas y el catalizador y una buena transferencia de calor.Esto da lugar a una reaccin rpida y una mezcla uniforme, reduciendo la variabilidad de las condiciones del proceso.Un ejemplo de la utilizacin de reactores de lecho fluido se encuentra en laoxicloracin de eteno a cloroeteno(cloruro de vinilo), la materia prima para el polmero poli (cloroeteno) (PVC).El catalizador es de cobre (II) cloruro y cloruro de potasio depositado sobre la superficie de la almina.Este apoyo es tan fina, que acta como un fluido cuando los gases pasan a travs de l.

Figura 6 Un diagrama para ilustrar un reactor de lecho fluido.En el lado izquierdo, las partculas estn en reposo.En el lado derecho, las partculas estn actuando como un fluido, como los reactivos gaseosos pasan a travs del slido.

Otro ejemplo es elcraqueo catalticode gasleo para producir alquenos (etileno y propileno) y gasolina con un altondice de octano.

Figura 7 A de craqueo cataltico como se usa para producir alquenos a partir de aceite de gas.Un catalizador de slice-almina se utiliza, pero las partculas finas de carbono se deposita rpidamente en su superficie y el catalizador se convierte rpidamente en ineficaces.El catalizador, todava en la forma de un fluido, se regenera a medida que pasa en un segundo recipiente donde se calienta fuertemente en el aire (a veces con el oxgeno aadido) quemar el carbono (Figura 7) y luego regres a la zona de reaccin y se mezcl con gasleo.

Figura 8 Parte de la planta de craqueo cataltico en Fawley en el sur de Inglaterra.1 columna de fraccionamiento para eliminar y recuperar los butanos2 El regenerador de catalizadorColumna 3 Fraccionamiento para eliminar y recuperar etanoPor la amable autorizacin de ExxonMobil y Pail Carter Fotografa.Estos reactores son ms grandes que los reactores de lecho fijo y son ms caros de construir.Sin embargo, es ms fcil controlar las condiciones y el proceso es ms eficiente.(D) reactores de tanque agitado continuo, CSTREn un CSTR, uno o ms reactivos, por ejemplo, en solucin o como una suspensin, se introducen en un reactor equipado con un impulsor (agitador) y los productos se retiran continuamente.El impulsor agita vigorosamente los reactivos para asegurar una buena mezcla de modo que no es una composicin uniforme en todo.La composicin en la salida es la misma que en la mayor parte en el reactor.Estas son exactamente las opuestas a las condiciones en un reactor de flujo tubular, donde no hay prcticamente ninguna mezcla de los reactivos y los productos.

Figura 9 Un diagrama de lneas que ilustra un reactor de tanque agitado continuo.Un estado estacionario se debe alcanzar en donde la velocidad de flujo en el reactor es igual a la velocidad de flujo a cabo, por lo contrario, el tanque sera vaciar o desbordamiento.El tiempo de residencia se calcula al dividir el volumen del tanque por la tasa media de flujo volumtrico.Por ejemplo, si el flujo de los reactivos es de 10 m3h-1y el volumen del tanque es 1 m3,el tiempo de residencia es de 1/10 h, es decir, 6 minutos.

Figura 10 Un reactor CSTR, usado para fabricar poli (eteno) a granel.Por la amable autorizacin del total.Se utiliza un reactor CSTR, por ejemplo en la produccin de la amida intermedia formada en el proceso para producirmetil-2 methylpropenoate.El cido sulfrico y 2-hidroxi-2-methylpropanonitrile se introducen en el tanque a una temperatura de 400 K. El calor generado por la reaccin se elimina por agua alimentada a travs de serpentines de refrigeracin y el tiempo de residencia es de aproximadamente 15 minutos.Una variacin de la CSTR es el reactor de bucle que es relativamente simple y barato de construir (Figura 11).En el diagrama se muestra un nico bucle.Sin embargo, el tiempo de residencia en el reactor se ajusta mediante la alteracin de la longitud o el nmero de los bucles en el reactor.Figura 11 Un diagrama de lneas que muestra un reactor de bucle utilizado en la produccin de poli (eteno).

Se utilizan reactores de bucle, por ejemplo, en lafabricacin de poli (eteno)y lafabricacin de poli (propeno).El eteno (o propeno) y el catalizador se mezclan, bajo presin, con un diluyente, por lo general un hidrocarburo.Una suspensin se produjo que se calienta y circula alrededor de los bucles.Las partculas de polmero se renen en la parte inferior de una de las patas de bucle y, con algo de diluyente hidrocarbonado, se liberan continuamente desde el sistema.El diluyente se evapora, dejando el polmero slido, y luego se enfra a reformar un lquido y se pasa de nuevo en el sistema de bucle, por lo tanto recircular el hidrocarburo.Intercambiadores de calorLa mayora de las reacciones qumicas son ms rpido a temperaturas ms altas e intercambiadores de calor se utilizan con frecuencia para proporcionar el calor necesario para aumentar la temperatura de la reaccin.Un intercambiador de calor comn es el tipo de carcasa y tubos (Figuras 12 y 13) donde una parte del proceso fluye a travs de un tubo y la otra parte alrededor de la cscara.Un buen ejemplo donde el intercambio de calor es importante es en la fabricacin de trixido de azufre a partir de dixido de azufre en elproceso de contactocuando se utilice el exceso de calor para calentar los gases entrantes.El calor de la reaccin se transfiere a los gases entrantes a travs de la pared del tubo (Figura 12) y la tasa de transferencia de calor es proporcional a:i) la diferencia de temperatura entre los gases calientes y los gases entrantes yii) el rea de superficie total de los tubos

La Figura 12 ilustra un intercambiador de calor utilizado en la fabricacin de trixido de azufre.As, la tasa de transferencia de calor requerida determinar el tamao del intercambiador pero cuando una reaccin qumica se produce tambin en el intercambiador (como en el caso de los reactores tubulares), es importante tener en cuenta el tiempo de residencia de los materiales (si ser gases o lquidos) en el intercambiador de calor.

Figura 13 Este intercambiador se utiliza para el producto de enfriamiento con agua que entra en ellado de la carcasa en 1 y sale a 2. El producto que se enfra fluye a travs delpequeos tubos.El intercambiador se ha puesto fuera de servicio para limpiar los tubospara mejorar la eficiencia del proceso de refrigeracin.Otro ejemplo de un intercambiador de calor es el condensador en la parte superior de unacolumna de destilacin.Aqu el calor del vapor que sale de la parte superior de la columna se retira, por ejemplo, agua de refrigeracin.El vapor se enfra y se condensa y la temperatura del agua aumenta.Algunos desarrollosEn el futuro muchos productos qumicos pueden ser producidos en reactores del tamao de un ordenador de sobremesa grande, conocido como microrreactores.El tamao reducido dar lugar a una reduccin en los costos de capital y una reduccin en la cantidad de productos qumicos en uso en cualquier momento, lo que resulta en un proceso inherentemente ms seguro.La temperatura se puede mantener constante ms fcilmente (ya que no es una superficie mucho ms grande para un volumen dado).Esto permite una transferencia de calor muy eficiente de la reaccin a los alrededores incluso para reacciones muy exotrmicas, tales como la nitracin de un hidrocarburo aromtico que potencialmente puede ser explosivo.Existe una considerable cantidad de investigacin que se lleva a cabo en el desarrollo de microreactores.Un ejemplo es la posibilidad de la conversin directa de benceno a fenol.Una mezcla de benceno y el oxgeno se alimenta a travs de un tubo de almina, lleno de paladio a ca 350-400 K y gas de hidrgeno se hace pasar sobre ella.

Figura 14 Un microrreactor que se utiliza para producir fenol a partir de benceno.El hidrgeno permea a travs del tubo de almina, y se convierte en hidrgeno atmico por el catalizador de paladio.Los tomos de hidrgeno reaccionan con el oxgeno, la liberacin de especies reactivas del oxgeno, tales como los radicales hidroxilo, que a su vez reaccionan con el benceno para formar fenol.Otro desarrollo se conoce como mezcla de flujo oscilatorio.Los ingenieros qumicos estn diseando reactores donde los fluidos que va a reaccionar se oscilado dentro de un reactor con deflectores a frecuencias entre 0,5 y 15 Hz con amplitudes en el rango de 1 a 100 mm.Esto permite una mezcla muy eficaz de los reactivos y tambin para que el calor se transfiere a los alrededores.Esto le da a condiciones similares a las de flujo de pistn que son de otro modo difcil de conseguir con pequeas cantidades de materiales.

Los reactores qumicos Imaginemos que tenemos que llevar a cabo la reacin qumica A+ BC La operacin se desarrollar en un reactor qumico. Qu es lo que hay que tener en cuenta a la hora de desarrollar el experimento?. Los factores a tener en cuenta sern los siguientes:- Condiciones en las que la reaccin es posible (P, T).- En qu grado se produce la reaccin (Termodinmica).- A qu velocidad (Cintica ).- Qu fases se encuentran presentes en la reaccin. Todos estos factores se tendrn que controlar por medio del reactor qumico, que es donde se realizar la reaccin. Operaciones unitarias fisicasde transferencia de materiade transferencia de energade transmisin simultnea de materia y energade transporte de cantidad de movimientocomplementarias

Operacin unitaria qumica

Operaciones, mecanismos y aparatos para el intercambio de calor

OperacinMecanismo

Aislamiento trmicoConduccinConveccinRadiacin

Aislantes reflactariosCamisas de vacoEspejos de radiacin

Calefaccin o refrigeracin de fluidosIntercambiadores de calorPlacas solaresHornos

EvaporacinCondensacinEvaporadoresCondensadores

Las operaciones unitarias

Operaciones unitarias de separacin basadas en el transporte de cantidad de movimiento

Operacin unitariaMedio de separacinPrincipio de separacinFases a separar

SedimentacinAccin gravitatoriaDiferencia de densidadS-L o L-L

Clasificacin hidrulicaAccin gravitatoria y flujo de lquidoDiferencia de densidad y de tamaoS1-S2

FlotacinAccin gravitatoria y flujo de aireDiferencia de densidades y mojabilidadS1-S2 o S-L

FiltracinPlaca filtranteDiferencia de presionesS-L o S-G

CentrifugacinFuerza centrfugaDiferencia de densidadS-L o L-L

smosis inversaDifusin en membrana semipermeableDiferencia de presionesL-soluto

Funciones principales de los reactores qumicos Los reactores qumicos tendrn como funciones principales:- Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del aparato, para conseguir la mezcla deseada de las fases presentes.- Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, en su caso, para conseguir la extensin deseada de la reaccin.- Permitir condiciones de presin, temperatura y composicin de modo que la reaccin tenga lugar en el grado y a la velocidad deseadas, atendiendo a los aspectos termodinmico y cintico de la reaccin.

Tipos principales de reactores qumicos El curso se dedicar principalmente al estudio de los reactores ideales. Estudiaremos tres tipos de reactores ideales:- Reactor DISCONTINUO IDEAL- Reactores ideales de flujo estacionario:TANQUE AGITADO.FLUJO EN PISTN. Estos reactores vienen representados en la Fig. 1.6

Fig. 1.6 Si bien los reactores de flujo pistn y de mezcla perfecta anteriores son de flujo estacionario, podemos trabajar tambin con reactores de flujo no estacionario. Dentro de estos ltimos estaran los reactores semicontnuos. Existe una gran variedad de reactores de este tipo, dependiendo de lo que queramos obtener. Veamos algunos ejemplos.1) Volumen y composicin variable .2) Volumen y composicin variable.

3) Volumen constante y composicin

Modelo matemtico de la operacin unitaria qumica Hasta ahora hemos considerado el diseo de reactores desde un punto de vista cualitativo y de las consideraciones a tener en cuenta en su diseo. Sin embargo en la prtica tenemos que cuantificar una seria de variables del proceso como son:- caudales.- temperaturas (necesaria para superar por ejemplo la energa de activacin de reaccin).- presin de operacin, ... Con toda esta informacin se podr entonces decidir:- las dimensiones del equipo.- materiales de construccin.- necesidad de calefaccin, refrigeracin, compresin, etc. El clculo de estas variables se realizar basndose en :i) LEYES GENERALESconservacin de materia.conservacin de energa.conservacin de la cantidad de movimiento.En forma general estas ecuaciones se representan mediante la ecuacin de la Fig. 1.7.

Fig. 1.7ii) ECUACIONES QUE RELACIONAN VARIABLES DEL SISTEMA.Estas son:- Las ecuaciones de estado de las sustancias del sistema.- Las leyes de equilibrio fsico o qumico (relaciones entre fases, constantes de equilibrio qumico, etc.). Aplicables cuando el sistema est en equilibrio.- Las leyes cinticas o de velocidad . Aplicables cuando el sistema no se encuentra en equilibrio. El conjunto de todas estas ecuaciones constituye el MODELO MATEMATICO del sistema. La resolucin del mismo permitir conocer los valores de todas las variables del sistema que intervienen, y as poder especificar con detalle los equipos en los que se podr llevar a cabo el proceso qumico. Adems de todas estas consideraciones necesitaremos:- Anlisis de costos (materiales de construccin, corrosin, requerimientos de agua y energa, y mantenimiento).- Instrumentacin y mtodos de control (sistema manual, utilizacin de computadoras).- Condiciones de mercado (relaciones precio-volumen de los reactantes y productos).

http://www.uclm.es/profesorado/rafaelcamarillo/esp/Presentaci%F3n%20tema%2014%20simple.pdfhttp://www.fbioyf.unr.edu.ar/evirtual/pluginfile.php/108222/mod_resource/content/1/Clase%204.pdf