Reactoreditar
El tipo más simple de reactor es un reactor por lotes. Los materiales se cargan en un reactor por lotes, y la reacción continúa con el tiempo. Un reactor por lotes no alcanza un estado estacionario, y a menudo es necesario controlar la temperatura, la presión y el volumen. Por lo tanto, muchos reactores por lotes tienen puertos para sensores y entrada y salida de material. Los reactores por lotes se utilizan típicamente en la producción a pequeña escala y en reacciones con materiales biológicos, como en la elaboración de cerveza, la fabricación de pulpa y la producción de enzimas. Un ejemplo de reactor por lotes es un reactor de presión.
CSTR (continuous stirred tank reactor)Editar
En un CSTR, se introducen uno o más reactivos fluidos en un reactor de tanque que normalmente se agita con un impulsor para garantizar la mezcla adecuada de los reactivos mientras se elimina el efluente del reactor. Dividir el volumen del tanque por el caudal volumétrico promedio a través del tanque da el tiempo de espacio, o el tiempo requerido para procesar un volumen de fluido del 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 de entrada debe ser igual al caudal másico de salida, de lo contrario, el tanque se desbordará o se vaciará (estado transitorio). Mientras el reactor está en un estado transitorio, la ecuación del modelo debe derivarse de los balances diferenciales de masa y energía.
- La reacción se produce a la velocidad de reacción asociada con la concentración final (de salida), ya que se supone que la concentración es homogénea en todo el reactor.
- A menudo, es económicamente beneficioso operar varias CSTR en serie. Esto permite, por ejemplo, que el primer CSTR funcione a una mayor concentración de reactivo y, por lo tanto, a una mayor velocidad de reacción. En estos casos, los tamaños de los reactores pueden variar para minimizar la inversión total de capital necesaria para implementar el proceso.
- Se puede demostrar que un número infinito de CSTR infinitamente pequeños operando en serie sería equivalente a un PFR.
El comportamiento de un CSTR es a menudo aproximado o modelado por el de un Reactor de Tanque con Agitación Ideal Continua (CISTR). Todos los cálculos realizados con CISTRs 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 usar para describir reactores de investigación. En la práctica, solo se puede abordar, especialmente 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 asemeja físicamente a un reactor tubular, pero funciona como un CSTR. La mezcla de reacción circula en un bucle de tubo, rodeado por una camisa para enfriar o calentar, y hay un flujo continuo de material de partida dentro y fuera del producto.
PFR (reactor de flujo de enchufe)Editar
En un PFR, a veces llamado reactor tubular continuo (CTR), 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 al PFR la velocidad es muy alta, pero a medida que las concentraciones de los reactivos disminuyen y la concentración del producto(s) aumenta la velocidad de reacción se ralentiza. Algunos aspectos importantes del PFR:
- El modelo idealizado de PFR asume que no hay mezcla axial: cualquier elemento de fluido que viaje a través del reactor no se mezcla con el fluido aguas arriba o aguas abajo de él, como lo implica el término «flujo de tapón».
- 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 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 los reactivos se consumen hasta el punto en que el sistema alcanza el equilibrio dinámico (no se produce una reacción neta o un cambio en las especies químicas). El punto de equilibrio para la mayoría de los sistemas es menos del 100% completo. 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. Estos reactivos a veces se pueden reutilizar al comienzo del proceso, como en el proceso Haber. En algunos casos, se necesitarían reactores muy grandes para acercarse al equilibrio, y los ingenieros químicos pueden optar por separar la mezcla parcialmente reaccionada y reciclar los reactivos sobrantes.
En condiciones de flujo laminar, la suposición de flujo de tapón es altamente 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 deflector oscilatorio continuo (COBR) logra una mezcla completa mediante la combinación de oscilación de fluido y deflectores de orificio, lo que permite aproximar el flujo de tapón en condiciones de flujo laminar.
Reactoreditar
Un reactor semibatch funciona con entradas y salidas continuas y por lotes. 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, reaccionar 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 de semibatch, 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, un gas formado por la reacción, un sólido que se precipita o un producto hidrofóbico que se forma en una solución acuosa.
Reactoreditar
Aunque los reactores catalíticos a menudo se implementan como reactores de flujo de tapón, 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 de fase sólida y reactivos de fase fluida, esto es proporcional al área expuesta, la eficiencia de la difusión de reactivos dentro y fuera de los productos y la eficacia de la mezcla. La mezcla perfecta generalmente no se puede asumir. Además, una vía de reacción catalítica a menudo ocurre en múltiples pasos con intermedios que están unidos químicamente al catalizador; y como la unión química al catalizador también es una reacción química, puede afectar la cinética. Las reacciones catalíticas a menudo muestran la llamada cinética falsificada, cuando la cinética aparente difiere de la cinética química real debido a efectos de transporte físico.
El producto del catalizador también es una consideración. Particularmente en procesos petroquímicos de alta temperatura, los catalizadores se desactivan mediante procesos como la sinterización, la coquización y el envenenamiento.
Un ejemplo común de reactor catalítico es el convertidor catalítico que procesa componentes tóxicos de los escapes de 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, reformato/BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) y craqueo catalítico fluido. Varias configuraciones son posibles, véase Reactor catalítico heterogéneo.
