Tipos de Reactores

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Una presentación muy breve de los principales tipos de reactores químicos.

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Tipos de Reactores

  1. 1. Un 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.
  2. 2. Los reactores homogéneos son aquellos donde los reactivos, inertes y catalizadores se hallan en la misma fase (líquido en reactores tipo tanque o fluido en los tubulares).
  3. 3. 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.
  4. 4. Trabajan en estado no-estacionario. El mas sencillo seria un tanque agitado. Este reactor suele usarse en pequeñas reacciones o pruebas piloto.
  5. 5. El reactor es cargado mediante dos orificios de la parte superior del tanque. Cuando la reacción se esta llevando a cabo, ningún compuesto ingresa o sale del reactor hasta que la reacción culmine. El calentamiento o enfriamiento se realiza fácilmente con el uso de una chaqueta de enfriamiento o calentamiento.
  6. 6. Este reactor presenta las siguientes características principales, debido a la forma en que opera : •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 •Este tipo de reactor opera en estado no estacionario; las concentraciones cambian con el tiempo.
  7. 7. • Sin embargo, y debido a la agitación puede asumirse que en un tiempo determinado, dentro del reactor la composición y la temperatura son homogéneas. •La energía dentro de cada “batch” cambia (de acuerdo a como se esta llevando a cabo la reacción). Puede adicionarse un intercambiador de calor para controlar la temperatura.
  8. 8. Un reactor por lotes no tiene ni flujo de entrada ni flujo de salida de reactivos o productos mientras la reacción se lleva a cabo. Esta es una operación en estado no estacionario, donde la composición cambia con el tiempo; sin embargo, en cualquier instante la composición por todo el reactor es uniforme.
  9. 9. Producciones a pequeña escala. Para la producción farmacéutica. En los procesos de fermentación. Para procesos complicados de productos costosos. Típicamente, para reacciones en fase líquida que requieren largos tiempos de reacción Sólo se utiliza cuando se requiere una pequeña cantidad de producto
  10. 10. Elevada conversión por cada unidad de volumen en cada etapa. Flexibilidad en las operaciones. Un mínimo reactor puede producir en un tiempo determinado compuesto y después otro. De simple construcción. Muy fácil de limpiar. Los datos pueden ser recogidos fácilmente si las reacciones isotérmicas se llevan a cabo en condiciones de volumen constante
  11. 11. Altos costos de mano de obra por lote. Preferido para las reacciones homogéneas solamente. La calidad del producto es mas variable que un reactor continuo. Dificultad en la producción a gran escala.
  12. 12. También conocido como: Reactor de mezcla completa de flujo continuo, Reactor de Tanque Agitado y por sus siglas en ingles CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), CFSTR (Continuous Flow Stirred Tank Reactor).
  13. 13. Estos reactores trabajan en estado estacionario, es decir que sus propiedades no varían con el tiempo. Supone que la reaccion alcanza la máxima conversión en el instante en que la alimentación entra al tanque, (en cualquier punto de este equipo las concentraciones son iguales a las de la corriente de salida). En este tipo de reactor se considera que la velocidad de reaccion para cualquier punto dentro del tanque es la misma y suele evaluarse a la concentración de salida.
  14. 14. 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.
  15. 15. 2.- Existe una distribución de tiempos de residencia (t). Dicha distribución puede apreciarse intuitivamente considerando lo siguiente: (a) Un elemento de fluido puede moverse directamente desde la entrada a la salida, puede existir un tiempo de residencia muy corto. (b) 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.
  16. 16. 3.- Como consecuencia de la agitación7 eficiente las propiedades (concentración, temperatura) dentro del reactor son uniformes. Se puede observar 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 de entrada al valor de salida de cualquier propiedad del sistema. 5.- La velocidad de reacción es constante dentro del reactor.
  17. 17. 6. Dado que la densidad en el sistema de flujo no es necesariamente constante. Entonces, la densidad de las corrientes puede cambiar entre la entrada y la salida. 7. Puede adicionarse un intercambiador de calor para controlar la temperatura.
  18. 18. Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores por lotes. Su operación es continua. Se facilita el control automático de la producción. Se tiene una sola temperatura en el sistema de reaccion.
  19. 19. Su costo inicial es alto. Para tiempos de residencia muy altos su tamaño también será alto. En general son menos eficientes que un reactor tubular.
  20. 20. Se usa generalmente para líquidos. Cuando se desea una operación continua. Para reacciones ligeramente endotérmicas o exotérmicas.
  21. 21. Trabajan en estado estacionario (las propiedades del reactor son constantes con el tiempo) Supone un flujo ideal de pistón, y la conversión es función de la posición. La composición del fluido varia de un punto a otro a través de la dirección del flujo.
  22. 22. Las reacciones químicas se desarrollan en un sistema abierto. Todos los reactivos se introducen continuamente y los productos se extraen en forma continua. Operan en régimen estable, por lo cual ninguna de las propiedades del sistema varia con relación al tiempo en una posición dada. La temperatura, la presión y la composición varían con relación a la longitud del reactor.
  23. 23. No existe mezclado axial del fluido dentro del recipiente. 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. La densidad de las corrientes puede cambiar en la dirección del flujo. Puede existir transferencia de calor a través de las paredes del reactor.
  24. 24. Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores por lotes. Su operación es continua. Se facilita el control automático de la producción. En general es mas eficiente que el reactor continuo tipo tanque.
  25. 25. Su costo inicial es alto. No recomendables para desarrollar reacciones que tengan elevados tiempos de residencia. El tiempo de residencia permanece fijo para un flujo dado de alimentación.
  26. 26. Se usa para sistemas reactivos que sean gases y vapores. Cuando se desea una producción grande en forma continua. Para reacciones exotérmicas o endotérmicas. Cuando están empacadas con partículas de catalizador actúan como reactores de lecho fijo. Si las partículas corresponden a un reactor, actúan como reactores heterogéneos solido-gas.
  27. 27. Los reactores heterogéneos involucran dos o más fases reactivas (gas-sólido, líquido-gas, sólido-líquido o líquido- líquido), de contacto en torres o reactores agitados. A su vez los sistemas heterogéneos pueden ser catalíticos o no. En los primeros, existe un agente, el catalizador, que interviene activamente en la reacción, en general facilitando la misma, pero que no es consumido por ésta.
  28. 28. Existe un tipo especial de reactores que debido a su naturaleza obedece leyes cinéticas diferentes, además de que por su complejidad los balances de materia y energía son más complejos, la diferencia radica en el número de fases físicas involucradas, los mecanismos de transferencia tanto de calor como de energía son más complejos debido a que están presentes más de un mecanismo, pudiendo ser de naturaleza conectiva o conductiva.
  29. 29. Suelen ser de dos tipos: fluidizado o de lecho empacado, la elección depende de la reacción de interés y del mecanismo cinético observado. Los reactores de lecho fluidizado poseen las siguientes propiedades: El flujo es complejo, no es bien conocido, solo se puede estimar de forma aproximada los mecanismos de transferencia de masa, desde el punto de vista de transferencia el contacto no es muy eficiente debido a la diferencia de varias barreras físicas, esto obliga a usar una mayor cantidad de catalizador.
  30. 30. El control de temperatura se realiza de forma más fácil, comparado con el reactor de lecho empacado. La reactivación del catalizador en caso de ser necesaria es más fácil y eficiente debido a la fluidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador. Este tipo de flujo es adecuado para partículas de tamaño pequeño, ideal para reacciones rápidas en donde se necesita una área de contacto grande.
  31. 31. El reactor de lecho empacado posee las siguientes características: La regeneración del catalizador requiere del uso de gases; Es común usar un sistema de re-circulación a fin de aumentar la eficiencia de reactivación. Este sistema presenta dificultades en el control de temperatura debido a la formación de zonas calientes y frías en el interior del lecho.
  32. 32. En muchas situaciones estos modelos ideales son válidos para casos reales, en caso contrario se habrán de introducir en los balances de materia, energía y presión términos que reflejen la desviación de la idealidad. Si por ejemplo la variación de las propiedades se debe a fenómenos de transporte de materia o calor se pueden introducir las leyes de Fick o Fourier respectivamente
  33. 33. BIBLIOGRAFIA  http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/IntroRea ctores_10564.pdf  http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Balance materia_10657.pdf  http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Balance materia_10657.pdf

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