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 de las industrias alimentaria , química y farmacéutica . Un estudio del mercado de reactores continuos arrojará una enorme variedad de formas y tipos de máquinas. Sin embargo, detrás de esta variación se esconde un número relativamente pequeño de características de diseño clave que determinan las capacidades del reactor. Al clasificar los reactores continuos, puede resultar más útil observar estas características de diseño que el sistema completo.
Los reactores se pueden dividir en dos categorías amplias, reactores discontinuos y reactores continuos. [1] Los reactores discontinuos son tanques agitados lo suficientemente grandes como para manejar el inventario completo de un ciclo discontinuo completo. En algunos casos, los reactores discontinuos pueden funcionar en modo semi discontinuo, donde se carga un producto químico en el recipiente y se agrega lentamente un segundo producto químico. 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 una serie de etapas interconectadas. Las ventajas de las dos opciones se consideran a continuación.
La tasa de transferencia de calor dentro de un reactor se puede determinar a partir de la siguiente relación:
dónde:
Desde la perspectiva del diseño del reactor, la capacidad de transferencia de calor está fuertemente influenciada por el tamaño del canal, ya que este 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 amplios, las categorías son las siguientes:
Reactores discontinuos industriales: 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)
Microrreactores: 5.000–50.000 m 2 /m 3 (dependiendo del tamaño del canal)
Los canales de pequeño diámetro tienen la ventaja de una alta capacidad de transferencia de calor. Sin embargo, en contra de esto, tienen una menor capacidad de flujo, una mayor caída de presión y una mayor tendencia a bloquearse. En muchos casos, la estructura física y las técnicas de fabricación de los microrreactores hacen que la limpieza y el desbloqueo sean muy difíciles de lograr.
El control de la temperatura es una de las funciones clave de un reactor químico. [3] Un control deficiente de la temperatura puede afectar gravemente tanto al rendimiento como a 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 grave que puede ser destructiva para el equipo y potencialmente peligrosa.
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 del proceso (qp). Para reactores de flujo formados 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 los puntos calientes/fríos dentro del reactor. Los puntos calientes o fríos causados por actividad exotérmica o endotérmica se pueden eliminar reubicando el sensor de temperatura (T) en el punto donde existen los puntos calientes/fríos. Sin embargo, esto provoca un sobrecalentamiento o un enfriamiento excesivo detrás del sensor de temperatura.
Muchos tipos diferentes de reactores de placas o tubos utilizan un control de retroalimentación simple de la temperatura del producto. Desde la perspectiva del usuario, este enfoque solo es adecuado para procesos donde los efectos de los puntos fríos/calientes no comprometen la seguridad, la calidad o el rendimiento.
Los microrreactores pueden ser de tubos o de placas y tienen la característica clave de canales de flujo de pequeño diámetro (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. Una gran área de transferencia de calor 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 de transferencia de calor (o del producto).
La señal de retroalimentación para controlar la temperatura del proceso puede ser la temperatura del producto o la temperatura del fluido caloportador. A menudo resulta más práctico controlar la temperatura del fluido caloportador.
Aunque los microrreactores son dispositivos eficientes de transferencia de calor, los canales estrechos pueden provocar altas caídas de presión, capacidad de flujo limitada y tendencia al bloqueo. También suelen estar fabricados de una manera que dificulta o imposibilita la limpieza y el desmontaje.
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 consigue dividiendo el reactor en una serie de etapas. Dentro de cada etapa, las condiciones ideales de transferencia de calor se pueden lograr 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 altas relaciones superficie-volumen (o ambas). Al abordar el problema en una serie de etapas, se podrán emplear condiciones extremas de enfriamiento/calentamiento en los puntos calientes/fríos sin sufrir sobrecalentamiento o enfriamiento excesivo en otros lugares. La importancia de esto es que se pueden utilizar canales de flujo más grandes. Generalmente son deseables canales de flujo más grandes ya que permiten una velocidad más alta, una caída de presión más baja y una tendencia reducida al bloqueo.
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 cierto conflicto entre una buena mezcla y el flujo pistón, ya que la mezcla genera un movimiento axial y radial del fluido. En los reactores de tipo tubular (con o sin mezcla estática), se puede lograr una mezcla adecuada sin comprometer seriamente el flujo pistón. Por este motivo, a estos tipos de reactores a veces se les denomina reactores de flujo pistón.
Los reactores continuos se pueden clasificar en términos del mecanismo de mezcla de la siguiente manera:
La mezcla por difusión depende de los gradientes de concentración o temperatura dentro del producto. Este enfoque es común en los microrreactores donde los espesores de los canales son muy pequeños y el calor puede transmitirse hacia y desde la superficie de transferencia de calor por conducción. En canales más grandes y para algunos tipos de mezclas de reacción (especialmente fluidos inmiscibles), la mezcla por difusión no es práctica.
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 altas caídas de presión y altos caudales mínimos. 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 oscilatorio con deflectores es una forma especializada de mezclador estático donde se cicla la dirección del flujo del proceso. 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.
Algunos reactores continuos utilizan agitación mecánica para mezclar (en lugar de la bomba de transferencia de producto). Si bien esto añade complejidad al diseño del reactor, ofrece importantes ventajas 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 altas caídas de presión.
Una característica menos deseable asociada con los agitadores mecánicos es la fuerte mezcla axial que generan. Este problema puede solucionarse 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). Se trata esencialmente de un reactor discontinuo utilizado en un flujo continuo. La desventaja de un CSTR de una sola etapa es que puede generar un desperdicio relativamente de producto durante el arranque y el apagado. Los reactivos también se añaden a una mezcla rica en producto. Para algunos tipos de procesos, esto puede afectar la calidad y el rendimiento. Estos problemas se gestionan mediante el uso de CSTR de múltiples etapas. A gran escala, se pueden utilizar reactores discontinuos convencionales para las etapas CSTR.
