Los reactores continuos (también denominados reactores de flujo ) transportan material como una corriente fluida. Los reactivos se alimentan continuamente al reactor y emergen como una corriente continua de producto. Los reactores continuos se utilizan para una amplia variedad de procesos químicos y biológicos dentro del sector alimentario , químico y farmacéutico.Industrias. Un estudio del mercado de reactores continuos arrojará una abrumadora variedad de formas y tipos de máquinas. Sin embargo, debajo de esta variación se encuentra un número relativamente pequeño de características de diseño clave que determinan las capacidades del reactor. Al clasificar los reactores continuos, puede ser más útil observar estas características de diseño en lugar de todo el sistema.
Lote versus continuo
Los reactores se pueden dividir en dos categorías amplias, reactores discontinuos y reactores continuos. Los reactores por lotes son tanques agitados lo suficientemente grandes para manejar el inventario completo de un ciclo completo por lotes. En algunos casos, los reactores discontinuos pueden operar en modo semi discontinuo donde se carga un químico en el recipiente y se agrega un segundo químico lentamente. Los reactores continuos son generalmente más pequeños que los reactores discontinuos y manejan el producto como una corriente fluida. Los reactores continuos pueden diseñarse como tuberías con o sin deflectores o como una serie de etapas interconectadas. Las ventajas de las dos opciones se consideran a continuación.
Beneficios de los reactores discontinuos
- Los reactores discontinuos son muy versátiles y se utilizan para una variedad de operaciones unitarias diferentes ( destilación discontinua , almacenamiento, cristalización , extracción líquido-líquido, etc.) además de reacciones químicas.
- Existe una gran base instalada de reactores discontinuos dentro de la industria y su método de uso está bien establecido.
- Los reactores discontinuos son excelentes para manejar materiales difíciles como lechadas o productos con tendencia a ensuciarse.
- Los reactores discontinuos representan una solución eficaz y económica para muchos tipos de reacciones lentas.
Beneficios de los reactores continuos
- La velocidad de muchas reacciones químicas depende de la concentración de reactivo . Los reactores continuos generalmente pueden hacer frente a concentraciones de reactivo mucho más altas debido a sus superiores capacidades de transferencia de calor . Los reactores de flujo pistón tienen la ventaja adicional de una mayor separación entre los reactivos y los productos, lo que proporciona un mejor perfil de concentración.
- El pequeño tamaño de los reactores continuos hace posible una mayor velocidad de mezcla.
- La salida de un reactor continuo se puede modificar variando el tiempo de ejecución. Esto aumenta la flexibilidad operativa para los fabricantes.
Capacidad de transferencia de calor
La tasa de transferencia de calor dentro de un reactor se puede determinar a partir de la siguiente relación:
dónde:
- q x : el calor liberado o absorbido por el proceso (W)
- U : el coeficiente de transferencia de calor del intercambiador de calor (W / (m 2 K))
- A : el área de transferencia de calor (m 2 )
- T p : temperatura de proceso (K)
- T j : temperatura de la chaqueta (K)
Desde la perspectiva del diseño del reactor, la capacidad de transferencia de calor está fuertemente influenciada por el tamaño del canal, ya que esto determina el área de transferencia de calor por unidad de volumen. El tamaño del canal se puede clasificar de varias maneras; sin embargo, en términos más generales, las categorías son las siguientes:
Reactores industriales discontinuos: 1 - 10 m 2 / m 3 (dependiendo de la capacidad del reactor)
Reactores discontinuos de laboratorio: 10-100 m 2 / m 3 (dependiendo de la capacidad del reactor)
Reactores continuos (no micro): 100 - 5,000 m 2 / m 3 (dependiendo del tamaño del canal)
Micro reactores: 5,000 - 50,000 m 2 / m 3 (dependiendo del tamaño del canal)
Los canales de diámetro pequeño tienen la ventaja de una alta capacidad de transferencia de calor. Sin embargo, frente a esto, tienen menor capacidad de flujo, mayor caída de presión y una mayor tendencia a bloquearse. En muchos casos, la estructura física y las técnicas de fabricación de los microrreactores dificultan mucho la limpieza y el desbloqueo.
Control de temperatura
El control de temperatura es una de las funciones clave de un reactor químico. Un control deficiente de la temperatura puede afectar gravemente tanto el rendimiento como la calidad del producto. También puede provocar ebullición o congelación dentro del reactor, lo que puede hacer que el reactor deje de funcionar por completo. En casos extremos, un control deficiente de la temperatura puede provocar una sobrepresión severa que puede ser destructiva para el equipo y potencialmente peligrosa.
Sistemas de una sola etapa con alto flujo de calentamiento o enfriamiento
En un reactor discontinuo, se logra un buen control de la temperatura cuando el calor agregado o eliminado por la superficie de intercambio de calor (qx) es igual al calor generado o absorbido por el material de proceso (qp). Para los reactores de flujo compuestos por tubos o placas, satisfacer la relación qx = qp no proporciona un buen control de la temperatura, ya que la tasa de liberación / absorción de calor del proceso varía en diferentes puntos dentro del reactor. Controlar la temperatura de salida no evita puntos calientes / fríos dentro del reactor. Los puntos calientes o fríos causados por la actividad exotérmica o endotérmica pueden eliminarse reubicando el sensor de temperatura (T) en el punto donde existen los puntos calientes / fríos. Sin embargo, esto conduce a un sobrecalentamiento o un sobreenfriamiento aguas abajo del sensor de temperatura.
Los puntos calientes / fríos se crean cuando el reactor se trata como una sola etapa para el control de la temperatura.
Los puntos calientes / fríos se pueden eliminar moviendo el sensor de temperatura. Sin embargo, esto provoca un sobreenfriamiento o sobrecalentamiento aguas abajo del sensor de temperatura.
Muchos tipos diferentes de reactores de placa o tubo utilizan un simple control de retroalimentación de la temperatura del producto. Desde la perspectiva del usuario, este enfoque solo es adecuado para procesos en los que los efectos de los puntos calientes / fríos no comprometen la seguridad, la calidad o el rendimiento.
Sistemas de una sola etapa con bajo flujo de calentamiento o enfriamiento
Los microrreactores pueden ser tubos o placas y tienen la característica clave de canales de flujo de diámetro pequeño (normalmente menos de <1 mm). La importancia de los microrreactores es que el área de transferencia de calor (A) por unidad de volumen (de producto) es muy grande. Un área de transferencia de calor grande significa que se pueden lograr valores altos de qx con valores bajos de Tp - Tj. El bajo valor de Tp - Tj limita el grado de sobreenfriamiento que puede ocurrir. Por tanto, la temperatura del producto se puede controlar regulando la temperatura del fluido caloportador (o del producto).
El sobrecalentamiento / sobreenfriamiento se evita mediante la diferencia de temperatura limitada entre el producto y el fluido caloportador.
La señal de retroalimentación para controlar la temperatura del proceso puede ser la temperatura del producto o la temperatura del fluido caloportador. A menudo es más práctico controlar la temperatura del fluido caloportador.
Aunque los microrreactores son dispositivos de transferencia de calor eficientes, los canales estrechos pueden provocar caídas de presión elevadas, capacidad de flujo limitada y tendencia a bloquearse. También se fabrican a menudo de una manera que dificulta o imposibilita la limpieza y el desmantelamiento.
Sistemas de varias etapas con alto flujo de calentamiento o enfriamiento
Las condiciones dentro de un reactor continuo cambian a medida que el producto pasa a lo largo del canal de flujo. En un reactor ideal, el diseño del canal de flujo se optimiza para hacer frente a este cambio. En la práctica, esto se logra dividiendo el reactor en una serie de etapas. Dentro de cada etapa, se pueden lograr las condiciones ideales de transferencia de calor variando la relación superficie / volumen o el flujo de enfriamiento / calentamiento. Por lo tanto, las etapas en las que la producción de calor del proceso es muy alta utilizan temperaturas extremas del fluido de transferencia de calor o tienen relaciones de superficie a volumen elevadas (o ambas). Al abordar el problema como una serie de etapas, se deben emplear condiciones extremas de enfriamiento / calentamiento en los puntos calientes / fríos sin sufrir sobrecalentamiento o sobreenfriamiento en otros lugares. La importancia de esto es que se pueden utilizar canales de flujo más grandes. Los canales de flujo más grandes son generalmente deseables ya que permiten una mayor velocidad, una menor caída de presión y una menor tendencia a bloquearse.
Mezclar
La mezcla es otra característica de clasificación importante para los reactores continuos. Una buena mezcla mejora la eficiencia de la transferencia de calor y masa.
En términos de trayectoria a través del reactor, la condición de flujo ideal para un reactor continuo es el flujo pistón (ya que esto proporciona un tiempo de residencia uniforme dentro del reactor). Sin embargo, existe un cierto grado de conflicto entre una buena mezcla y un flujo de pistón, ya que la mezcla genera un movimiento axial y radial del fluido. En reactores de tipo tubo (con o sin mezcla estática), se puede lograr una mezcla adecuada sin comprometer seriamente el flujo de pistón. Por esta razón, estos tipos de reactores a veces se denominan reactores de flujo pistón.
Los reactores continuos se pueden clasificar en términos del mecanismo de mezcla de la siguiente manera:
Mezclar por difusión
La mezcla por difusión se basa en la concentración o los gradientes de temperatura dentro del producto. Este enfoque es común con los microrreactores donde los espesores de los canales son muy pequeños y el calor se puede transmitir hacia y desde la superficie de transferencia de calor por conducción. En canales más grandes y para algunos tipos de mezcla de reacción (especialmente fluidos inmiscibles), la mezcla por difusión no es práctica.
Mezclar con la bomba de transferencia de producto
En un reactor continuo, el producto se bombea continuamente a través del reactor. Esta bomba también se puede utilizar para promover la mezcla. Si la velocidad del fluido es suficientemente alta, existen condiciones de flujo turbulento (lo que promueve la mezcla). La desventaja de este enfoque es que conduce a reactores largos con caídas de presión elevadas y caudales mínimos elevados. Esto es particularmente cierto cuando la reacción es lenta o el producto tiene alta viscosidad. Este problema se puede reducir con el uso de mezcladores estáticos. Los mezcladores estáticos son deflectores en el canal de flujo que se utilizan para promover la mezcla. Pueden trabajar con o sin condiciones turbulentas. Los mezcladores estáticos pueden ser efectivos pero aún requieren canales de flujo relativamente largos y generan caídas de presión relativamente altas. El reactor con deflector oscilatorio es una forma especializada de mezclador estático donde la dirección del flujo del proceso se cicla. Esto permite una mezcla estática con un flujo neto bajo a través del reactor. Esto tiene la ventaja de permitir que el reactor se mantenga comparativamente corto.
El reactor con deflector oscilatorio utiliza una combinación de mezcla estática y ciclos de dirección de flujo.
Mezclar con agitador mecánico
Algunos reactores continuos utilizan agitación mecánica para mezclar (en lugar de la bomba de transferencia de producto). Si bien esto agrega complejidad al diseño del reactor, ofrece ventajas significativas en términos de versatilidad y rendimiento. Con agitación independiente, se puede mantener una mezcla eficiente independientemente del rendimiento o la viscosidad del producto. También elimina la necesidad de canales de flujo largos y caídas de alta presión.
Una característica menos deseable asociada con los agitadores mecánicos es la fuerte mezcla axial que generan. Este problema puede resolverse dividiendo el reactor en una serie de etapas mixtas separadas por pequeños canales de flujo pistón.
La forma más familiar de reactor continuo de este tipo es el reactor de tanque con agitación continua (CSTR). Este es esencialmente un reactor discontinuo usado en un flujo continuo. La desventaja de un CSTR de una sola etapa es que puede ser un desperdicio de producto relativamente durante el inicio y el apagado. Los reactivos también se añaden a una mezcla rica en producto. Para algunos tipos de proceso, esto puede afectar la calidad y el rendimiento. Estos problemas se gestionan mediante el uso de CSTR de varias etapas. A gran escala, se pueden utilizar reactores discontinuos convencionales para las etapas CSTR.