Un reactor químico es un volumen cerrado en el que tiene lugar una reacción química . [1] [2] [3] [4] En ingeniería química , generalmente se entiende como un recipiente de proceso utilizado para llevar a cabo una reacción química, [5] que es una de las operaciones unitarias clásicas en el análisis de procesos químicos. El diseño de un reactor químico se ocupa de múltiples aspectos de la ingeniería química . Los ingenieros químicos diseñan reactores para maximizar el valor actual neto de la reacción dada. Los diseñadores se aseguran de que la reacción proceda con la mayor eficiencia hacia el producto de salida deseado, produciendo la mayorrendimiento del producto al tiempo que requiere la menor cantidad de dinero para comprar y operar. Los gastos operativos normales incluyen el aporte de energía, la eliminación de energía, los costos de las materias primas , la mano de obra, etc. Los cambios de energía pueden presentarse en forma de calefacción o enfriamiento, bombeo para aumentar la presión, pérdida de presión por fricción o agitación.
La ingeniería de reacciones químicas es la rama de la ingeniería química que se ocupa de los reactores químicos y su diseño, especialmente mediante la aplicación de la cinética química a los sistemas industriales.
Descripción general
Los tipos básicos más comunes de reactores químicos son tanques (donde los reactivos se mezclan en todo el volumen) y tuberías o tubos (para reactores de flujo laminar y reactores de flujo pistón ).
Ambos tipos se pueden usar como reactores continuos o reactores discontinuos, y pueden acomodar uno o más sólidos ( reactivos , catalizadores o materiales inertes), pero los reactivos y productos son típicamente fluidos (líquidos o gases). Los reactores en procesos continuos generalmente funcionan en estado estacionario , mientras que los reactores en procesos por lotes se operan necesariamente en un estado transitorio . Cuando un reactor se pone en funcionamiento, ya sea por primera vez o después de una parada, se encuentra en un estado transitorio y las variables clave del proceso cambian con el tiempo.
Hay tres modelos idealizados que se utilizan para estimar las variables de proceso más importantes de diferentes reactores químicos:
- Modelo de reactor por lotes ,
- Modelo de reactor de tanque agitado continuo (CSTR), y
- Modelo de reactor de flujo pistón (PFR).
Muchos reactores del mundo real se pueden modelar como una combinación de estos tipos básicos.
Las variables clave del proceso incluyen:
- Tiempo de residencia (τ, tau griega minúscula)
- Volumen (V)
- Temperatura (t)
- Presión (P)
- Concentraciones de especies químicas (C 1 , C 2 , C 3 , ... C n )
- Coeficientes de transferencia de calor (h, U)
Un reactor tubular a menudo puede ser un lecho empacado . En este caso, el tubo o canal contiene partículas o gránulos, normalmente un catalizador sólido . [6] Los reactivos, en fase líquida o gaseosa, se bombean a través del lecho del catalizador. [7] Un reactor químico también puede ser un lecho fluidizado ; ver reactor de lecho fluidizado .
Las reacciones químicas que ocurren en un reactor pueden ser exotérmicas , es decir, emitir calor, o endotérmicas , es decir, absorber calor. Un reactor de tanque puede tener una camisa de enfriamiento o calentamiento o serpentines (tubos) de enfriamiento o calentamiento envueltos alrededor del exterior de la pared del recipiente para enfriar o calentar el contenido, mientras que los reactores tubulares pueden diseñarse como intercambiadores de calor si la reacción es fuertemente exotérmica. , o hornos similares si la reacción es fuertemente endotérmica . [8]
Tipos
Reactor por lotes
El tipo de reactor más simple es un reactor discontinuo. Los materiales se cargan en un reactor discontinuo y la reacción avanza con el tiempo. Un reactor discontinuo no alcanza un estado estacionario y, a menudo, es necesario controlar la temperatura, la presión y el volumen. Por lo tanto, muchos reactores discontinuos tienen puertos para sensores y entrada y salida de material. Los reactores por lotes se utilizan normalmente en la producción a pequeña escala y en las reacciones con materiales biológicos, como en la elaboración de cerveza, la fabricación de pulpa y la producción de enzimas. Un ejemplo de reactor discontinuo es un reactor a presión .
CSTR (reactor continuo de tanque agitado)
En un CSTR, se introducen uno o más reactivos fluidos en un reactor de tanque que típicamente se agita con un impulsor para asegurar la mezcla adecuada de los reactivos mientras se elimina el efluente del reactor. Dividir el volumen del tanque por la tasa de flujo volumétrico promedio a través del tanque da el espacio-tiempo , o el tiempo requerido para procesar el volumen de fluido de un reactor. Utilizando la cinética química , se puede calcular el porcentaje de finalización esperado de la reacción . Algunos aspectos importantes del CSTR:
- En estado estacionario, el caudal másico que entra debe ser igual al caudal másico que sale; de lo contrario, el tanque se desbordará o se vaciará (estado transitorio). Mientras el reactor se encuentra en un estado transitorio, la ecuación del modelo debe derivarse de los balances diferenciales de masa y energía.
- La reacción procede a la velocidad de reacción asociada con la concentración final (salida), ya que se supone que la concentración es homogénea en todo el reactor.
- A menudo, es económicamente beneficioso operar varios CSTR en serie. Esto permite, por ejemplo, que el primer CSTR funcione a una concentración de reactivo más alta y, por lo tanto, a una velocidad de reacción más alta. En estos casos, los tamaños de los reactores pueden variarse para minimizar la inversión de capital total requerida para implementar el proceso.
- Se puede demostrar que un infinito número de CSTR infinitamente pequeñas que operan en serie sería equivalente a un PFR. [9]
El comportamiento de un CSTR a menudo es aproximado o modelado por el de un reactor de tanque continuo idealmente agitado (CISTR). Todos los cálculos realizados con CISTR suponen una mezcla perfecta . Si el tiempo de residencia es de 5 a 10 veces el tiempo de mezcla, esta aproximación se considera válida para fines de ingeniería. El modelo CISTR se utiliza a menudo para simplificar los cálculos de ingeniería y se puede utilizar para describir reactores de investigación. En la práctica, solo se puede abordar, particularmente en reactores de tamaño industrial en los que el tiempo de mezcla puede ser muy grande.
Un reactor de bucle es un tipo híbrido de reactor catalítico que se parece físicamente a un reactor tubular, pero funciona como un CSTR. La mezcla de reacción se hace circular en un bucle de tubo, rodeada por una camisa para enfriar o calentar, y hay un flujo continuo de material de partida hacia adentro y hacia afuera.
PFR (reactor de flujo pistón)
En un PFR, a veces llamado reactor tubular continuo (CTR), [10] uno o más reactivos fluidos se bombean a través de una tubería o tubo. La reacción química procede a medida que los reactivos viajan a través del PFR. En este tipo de reactor, la velocidad de reacción cambiante crea un gradiente con respecto a la distancia recorrida; en la entrada del PFR, la velocidad es muy alta, pero a medida que las concentraciones de los reactivos disminuyen y la concentración del producto o productos aumenta, la velocidad de reacción disminuye. Algunos aspectos importantes del PFR:
- El modelo PFR idealizado asume que no hay mezcla axial: cualquier elemento de fluido que viaja a través del reactor no se mezcla con el fluido corriente arriba o corriente abajo de él, como implica el término " flujo pistón ".
- Los reactivos pueden introducirse en el PFR en lugares del reactor distintos de la entrada. De esta manera, se puede obtener una mayor eficiencia o se puede reducir el tamaño y el costo del PFR.
- Un PFR tiene una eficiencia teórica más alta que un CSTR del mismo volumen. Es decir, dado el mismo espacio-tiempo (o tiempo de residencia), una reacción procederá a un porcentaje de finalización más alto en un PFR que en un CSTR. Esto no siempre es cierto para las reacciones reversibles.
Para la mayoría de las reacciones químicas de interés industrial, es imposible que la reacción se complete al 100%. La velocidad de reacción disminuye a medida que se consumen los reactivos hasta el punto en que el sistema alcanza el equilibrio dinámico (no se produce una reacción neta o se produce un cambio en las especies químicas). El punto de equilibrio para la mayoría de los sistemas está completo en menos del 100%. Por esta razón, un proceso de separación, como la destilación , a menudo sigue a un reactor químico para separar los reactivos o subproductos restantes del producto deseado. A veces, estos reactivos pueden reutilizarse al comienzo del proceso, como en el proceso de Haber . En algunos casos, serían necesarios reactores muy grandes para acercarse al equilibrio, y los ingenieros químicos pueden optar por separar la mezcla que ha reaccionado parcialmente y reciclar los reactantes sobrantes.
En condiciones de flujo laminar , la suposición de flujo de pistón es muy inexacta, ya que el fluido que viaja a través del centro del tubo se mueve mucho más rápido que el fluido en la pared. El reactor con deflectores oscilatorios continuos (COBR) logra una mezcla completa mediante la combinación de la oscilación del fluido y los deflectores de orificio, lo que permite que el flujo de pistón se aproxime en condiciones de flujo laminar .
Reactor semibatch
Un reactor semicontinuo funciona con entradas y salidas continuas y discontinuas. Un fermentador, por ejemplo, se carga con un lote de medio y microbios que produce constantemente dióxido de carbono que debe eliminarse continuamente. De manera similar, la reacción de un gas con un líquido suele ser difícil, porque se requiere un gran volumen de gas para reaccionar con una masa igual de líquido. Para superar este problema, se puede burbujear una alimentación continua de gas a través de un lote de líquido. En general, en la operación semicontinua, se carga un reactivo químico en el reactor y se agrega un segundo químico lentamente (por ejemplo, para evitar reacciones secundarias ), o un producto que resulta de un cambio de fase se elimina continuamente, por ejemplo, se forma un gas. por la reacción, un sólido que precipita, o un producto hidrofóbico que se forma en una solución acuosa.
Reactor catalítico
Aunque los reactores catalíticos se implementan a menudo como reactores de flujo pistón, su análisis requiere un tratamiento más complicado. La velocidad de una reacción catalítica es proporcional a la cantidad de catalizador en contacto con los reactivos, así como a la concentración de los reactivos. Con un catalizador en fase sólida y reactivos en fase fluida, esto es proporcional al área expuesta, la eficiencia de difusión de los reactivos dentro y fuera de los productos y la eficacia de la mezcla. Por lo general, no se puede asumir una mezcla perfecta. Además, una ruta de reacción catalítica a menudo ocurre en múltiples etapas con intermedios que están químicamente unidos al catalizador; y como la unión química al catalizador también es una reacción química, puede afectar la cinética. Las reacciones catalíticas a menudo muestran las llamadas cinéticas falsificadas , cuando la cinética aparente difiere de la cinética química real debido a los efectos del transporte físico.
El producto del catalizador también es una consideración. Particularmente en los procesos petroquímicos de alta temperatura, los catalizadores se desactivan mediante procesos como la sinterización , la coquización y el envenenamiento .
Un ejemplo común de un reactor catalítico es el convertidor catalítico que procesa los componentes tóxicos de los escapes de los automóviles. Sin embargo, la mayoría de los reactores petroquímicos son catalíticos y son responsables de la mayor parte de la producción química industrial, con ejemplos de volumen extremadamente alto que incluyen ácido sulfúrico , amoníaco , reformado / BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) y craqueo catalítico fluido . Son posibles varias configuraciones, ver Reactor catalítico heterogéneo .
enlaces externos
- Modelos CSTR simples en MATLAB
- Procesos energéticamente eficientes para polímeros, escrito por Rolund Kunkel
Referencias
- ^ Pereira, Carmo J .; Leib, Tiberiu M. (2008). "Sección 19, Reactores". Manual del ingeniero químico de Perry (8ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill . pag. 4. ISBN 9780071542265. OCLC 191805887 .
- ^ Prud'homme, Roger (15 de julio de 2010). Flujos de fluidos reactivos . Springer Science + Business Media . pag. 109. ISBN 9780817646592.
- ^ Schmidt, Lanny D. (1998). La ingeniería de reacciones químicas . Nueva York: Oxford University Press . ISBN 0195105885.
- ^ Levenspiel, Octave (enero de 1993). El Reactor Químico Omnibook . Librerías Oregon St Univ. ISBN 0882461605.
- ^ Suresh, S .; Sundaramoorthy, S. (18 de diciembre de 2014). Ingeniería química verde: Introducción a la catálisis, la cinética y los procesos químicos . Prensa CRC . pag. 67. ISBN 9781466558854.
- ^ Jakobsen, Hugo A. (2 de abril de 2014). Modelado de reactores químicos: Flujos reactivos multifásicos . Springer Science + Business Media . pag. 1057. ISBN 9783319050928.
- ^ Foley, Alexandra (15 de agosto de 2014). "¿Qué es un reactor de lecho compacto?" . COMSOL Multifísica © . Archivado desde el original el 20 de octubre de 2016 . Consultado el 19 de octubre de 2016 .
- ^ Peacock, DG; Richardson, JF (2 de diciembre de 2012). Ingeniería Química, Volumen 3: Reactores Químicos y Bioquímicos y Control de Procesos . Elsevier . pag. 8. ISBN 0080571549.
- ^ Ravi, R .; Vinu, R .; Gummadi, SN (26 de septiembre de 2017). Ingeniería química de Coulson y Richardson: Volumen 3A: Reactores químicos y bioquímicos e ingeniería de reacciones . Butterworth-Heinemann . pag. 80. ISBN 9780081012239.
- ^ "Reactor de flujo de pistón | Vapourtec Ltd" . Vapourtec . Archivado desde el original el 20 de octubre de 2016 . Consultado el 19 de octubre de 2016 .