Un reactor de flujo laminar ( LFR ) es un tipo de reactor químico que utiliza el flujo laminar para controlar la velocidad de reacción y/o la distribución de la reacción. El LFR es generalmente un tubo largo con un diámetro constante que se mantiene a una temperatura constante. Los reactivos se inyectan en un extremo y los productos se recogen y controlan en el otro. [1] Los reactores de flujo laminar se utilizan a menudo para estudiar una reacción elemental aislada o un mecanismo de reacción de varios pasos .
Los reactores de flujo laminar emplean las características del flujo laminar para lograr diversos propósitos de investigación. Por ejemplo, los LFR se pueden utilizar para estudiar la dinámica de fluidos en reacciones químicas , o se pueden utilizar para generar estructuras químicas especiales como nanotubos de carbono . Una característica del LFR es que el tiempo de residencia (el intervalo de tiempo durante el cual las sustancias químicas permanecen en el reactor) de las sustancias químicas en el reactor se puede variar ya sea cambiando la distancia entre el punto de entrada del reactivo y el punto en el que se toma el producto/muestra, o ajustando la velocidad del gas/fluido. Por lo tanto, el beneficio de un reactor de flujo laminar es que los diferentes factores que pueden afectar una reacción se pueden controlar y ajustar fácilmente a lo largo de un experimento.
Los medios para analizar la reacción incluyen el uso de una sonda que ingresa al reactor; o, más precisamente, a veces se pueden utilizar métodos ópticos no intrusivos (por ejemplo, usar un espectrómetro para identificar y analizar el contenido) para estudiar las reacciones en el reactor. Además, también puede ser útil tomar la muestra completa del gas/fluido al final del reactor y recopilar datos. [1] Usando los métodos mencionados anteriormente, se pueden monitorear y analizar varios datos como la concentración , la velocidad del flujo , etc.
Los fluidos o gases con velocidad controlada pasan a través de un reactor de flujo laminar en forma de flujo laminar . Es decir, corrientes de fluidos o gases se deslizan unas sobre otras como si fueran naipes. Al analizar fluidos con la misma viscosidad ("espesor" o "pegajosidad") pero diferente velocidad, los fluidos se caracterizan típicamente en dos tipos de flujos: flujo laminar y flujo turbulento . En comparación con el flujo turbulento, el flujo laminar tiende a tener una velocidad menor y generalmente tiene un número de Reynolds menor . El flujo turbulento, por otro lado, es irregular y viaja a una velocidad mayor. Por lo tanto, a menudo se supone que la velocidad de flujo de un flujo turbulento en una sección transversal es constante o "plana". La velocidad de flujo "no plana" del flujo laminar ayuda a explicar el mecanismo de un LFR. Para el fluido/gas que se mueve en un LFR, la velocidad cerca del centro de la tubería es mayor que la de los fluidos cerca de la pared de la tubería. Por lo tanto, la distribución de velocidad de los reactivos tiende a disminuir desde el centro hasta la pared.
La velocidad cerca del centro de la tubería es mayor que la de los fluidos cerca de la pared de la tubería. Por lo tanto, la distribución de velocidad de los reactivos tiende a ser mayor en el centro y menor en el costado. Considere que se bombea fluido a través de un LFR a velocidad constante desde la entrada, y se monitorea la concentración del fluido en la salida. El gráfico de la distribución del tiempo de residencia debe verse como una pendiente negativa con concavidad positiva. Y el gráfico está modelado por la función: si es menor que ; si es mayor o igual a . [2] Observe que el gráfico tiene el valor de cero inicialmente, esto se debe simplemente a que la sustancia tarda un tiempo en viajar a través del reactor. Cuando el material comienza a llegar a la salida, la concentración aumenta drásticamente y disminuye gradualmente a medida que avanza el tiempo.
Los flujos laminares dentro de un reactor de flujo laminar tienen la característica única de fluir de manera paralela sin perturbarse entre sí. La velocidad del fluido o gas disminuirá naturalmente a medida que se acerca a la pared y se aleja del centro. Por lo tanto, los reactivos tienen un tiempo de residencia creciente en el reactor de flujo laminar desde el centro hacia los lados. Un tiempo de residencia que aumenta gradualmente brinda a los investigadores un diseño claro de la reacción en diferentes momentos. Además, al estudiar reacciones en un reactor de flujo laminar, los gradientes radiales en velocidad, composición y temperatura son significativos. [3] En otras palabras, en otros reactores donde el flujo laminar no es significativo, por ejemplo, en un reactor de flujo pistón , se supone que la velocidad del objeto es la misma en una sección transversal ya que los flujos son en su mayoría turbulentos. En un reactor de flujo laminar, la velocidad es significativamente diferente en varios puntos de la misma sección transversal. Por lo tanto, las diferencias de velocidad en todo el reactor deben tenerse en cuenta cuando se trabaja con un reactor de flujo laminar.
En las últimas décadas se han realizado diversas investigaciones relacionadas con el modelado de reactores de flujo laminar y la formación de sustancias dentro de ellos. Por ejemplo, se investigó la formación de nanotubos de carbono de pared simple en un reactor de flujo laminar. [4] Como otro ejemplo, se ha estudiado la conversión de metano a hidrocarburos superiores en un reactor de flujo laminar. [5]
