Un reactor discontinuo es un reactor químico en el que se lleva a cabo una reacción no continua, es decir, uno donde los reactivos , productos y disolventes no fluyen dentro o fuera del recipiente durante la reacción hasta que se logra la conversión de reacción objetivo. Por extensión, la expresión se usa de alguna manera de manera inapropiada para otras operaciones de procesamiento de fluidos por lotes que no involucran una reacción química, como disolución de sólidos , mezcla de productos , destilación por lotes , cristalización y extracción líquido/líquido . En tales casos, sin embargo, es posible que no se los denomine reactores sino más bien con un término específico para la función que realizan (como cristalizador , biorreactor , etc.). [1]
Muchos procesos por lotes se diseñan sobre la base de una ampliación a escala del laboratorio , en particular para la fabricación de productos químicos y farmacéuticos especiales . Si este es el caso, el desarrollo del proceso producirá una receta para el proceso de fabricación, que tiene muchas similitudes con una receta utilizada en la cocina . [2] Un reactor por lotes típico consta de un recipiente a presión con un agitador y un sistema de calentamiento/enfriamiento integrado. Los recipientes pueden variar en tamaño desde menos de 1 L hasta más de 15.000 L. Por lo general, se fabrican en acero , acero inoxidable , acero revestido de vidrio , vidrio o aleaciones exóticas . Los líquidos y sólidos generalmente se cargan a través de conexiones en la cubierta superior del reactor. Los vapores y gases también se descargan a través de conexiones en la parte superior. Los líquidos generalmente se descargan por la parte inferior.
Las ventajas del reactor discontinuo residen en su versatilidad. Un solo recipiente puede llevar a cabo una secuencia de operaciones diferentes sin necesidad de romper la contención. Esto resulta especialmente útil cuando se procesan compuestos tóxicos o muy potentes .
La disposición habitual del agitador es un eje de transmisión montado centralmente con una unidad de transmisión en la parte superior . Las paletas del impulsor están montadas en el eje. Se utiliza una amplia variedad de diseños de paletas y, por lo general, las paletas cubren aproximadamente dos tercios del diámetro del reactor. Cuando se manejan productos viscosos, a menudo se utilizan paletas con forma de ancla que tienen una pequeña distancia entre la paleta y las paredes del recipiente.
La mayoría de los reactores discontinuos también utilizan deflectores , que son paletas fijas que interrumpen el flujo causado por el agitador giratorio. Pueden estar fijadas a la tapa del recipiente o montadas en el interior de las paredes laterales.
A pesar de las mejoras significativas en el diseño de las paletas y deflectores de los agitadores, la mezcla en reactores de lotes grandes está limitada en última instancia por la cantidad de energía que se puede aplicar. En recipientes grandes, las energías de mezcla de más de 5 W /L pueden suponer una carga inaceptable para el sistema de refrigeración. Las cargas elevadas del agitador también pueden crear problemas de estabilidad del eje. Cuando la mezcla es un parámetro crítico, el reactor de lotes no es la solución ideal. Se pueden lograr velocidades de mezcla mucho más altas utilizando sistemas de flujo más pequeños con agitadores de alta velocidad, mezcla ultrasónica o mezcladores estáticos .
Los productos dentro de los reactores discontinuos generalmente liberan o absorben calor durante el procesamiento. Incluso la acción de agitar los líquidos almacenados genera calor. Para mantener el contenido del reactor a la temperatura deseada , se debe agregar o quitar calor mediante una camisa o tubería de enfriamiento . Se utilizan serpentines de calentamiento/enfriamiento o camisas externas para calentar y enfriar los reactores discontinuos. El fluido de transferencia de calor pasa a través de la camisa o los serpentines para agregar o quitar calor.
En las industrias química y farmacéutica , generalmente se prefieren las camisas de refrigeración externas, ya que facilitan la limpieza del recipiente. El rendimiento de estas camisas se puede definir mediante tres parámetros:
Se puede argumentar que el coeficiente de transferencia de calor también es un parámetro importante. Sin embargo, hay que reconocer que los reactores discontinuos de gran tamaño con camisas de refrigeración externas tienen severas limitaciones de transferencia de calor en virtud del diseño. Es difícil lograr una capacidad de refrigeración superior a 100 W/L incluso con condiciones ideales de transferencia de calor. Por el contrario, los reactores continuos pueden ofrecer capacidades de refrigeración superiores a 10 000 W/L. Para procesos con cargas térmicas muy elevadas, existen mejores soluciones que los reactores discontinuos.
La respuesta rápida del control de temperatura y el calentamiento y enfriamiento uniformes de la camisa son particularmente importantes para los procesos de cristalización o las operaciones en las que el producto o el proceso son muy sensibles a la temperatura. Existen varios tipos de camisas de enfriamiento para reactores por lotes, incluidas la camisa externa simple, la camisa de media bobina y la camisa de calor de flujo constante.
El diseño de una sola camisa consta de una camisa exterior que rodea el recipiente. El fluido de transferencia de calor fluye alrededor de la camisa y se inyecta a alta velocidad a través de boquillas. La temperatura en la camisa se regula para controlar el calentamiento o el enfriamiento.
La camisa simple es probablemente el diseño más antiguo de camisa de enfriamiento externa. A pesar de ser una solución probada y comprobada, tiene algunas limitaciones. En los recipientes grandes, puede llevar muchos minutos ajustar la temperatura del fluido en la camisa de enfriamiento. Esto da como resultado un control de temperatura lento . La distribución del fluido de transferencia de calor también está lejos de ser ideal y el calentamiento o enfriamiento tiende a variar entre las paredes laterales y el plato inferior. Otro problema a considerar es la temperatura de entrada del fluido de transferencia de calor que puede oscilar (en respuesta a la válvula de control de temperatura) en un amplio rango de temperaturas para causar puntos calientes o fríos en los puntos de entrada de la camisa.
La camisa de media bobina se fabrica soldando un medio tubo alrededor del exterior del recipiente para crear un canal de flujo semicircular. El fluido de transferencia de calor pasa a través del canal en forma de flujo tapón . Un reactor grande puede utilizar varias bobinas para suministrar el fluido de transferencia de calor. Al igual que la camisa simple, la temperatura en la camisa se regula para controlar el calentamiento o el enfriamiento.
Las características de flujo de tapón de una camisa de media bobina permiten un desplazamiento más rápido del fluido de transferencia de calor en la camisa (normalmente menos de 60 s ). Esto es deseable para un buen control de la temperatura. También proporciona una buena distribución del fluido de transferencia de calor, lo que evita los problemas de calentamiento o enfriamiento no uniforme entre las paredes laterales y el plato inferior. Sin embargo, al igual que el diseño de camisa simple, el fluido de transferencia de calor de entrada también es vulnerable a grandes oscilaciones (en respuesta a la válvula de control de temperatura) en la temperatura.
La camisa de refrigeración de flujo constante es un desarrollo relativamente reciente. No es una sola camisa, sino que tiene una serie de 20 o más elementos pequeños. La válvula de control de temperatura funciona abriendo y cerrando estos canales según sea necesario. Al variar el área de transferencia de calor de esta manera, se puede regular la temperatura del proceso sin alterar la temperatura de la camisa.
La camisa de flujo constante tiene una respuesta de control de temperatura muy rápida (normalmente menos de 5 s) debido a la corta longitud de los canales de flujo y a la alta velocidad del fluido de transferencia de calor. Al igual que la camisa de media bobina, el flujo de calentamiento/enfriamiento es uniforme. Debido a que la camisa funciona a una temperatura sustancialmente constante, no se producen las oscilaciones de temperatura de entrada que se observan en otras camisas. Una característica inusual de este tipo de camisa es que el calor del proceso se puede medir con mucha sensibilidad. Esto permite al usuario monitorear la velocidad de reacción para detectar puntos finales, controlar las velocidades de adición, controlar la cristalización , etc.
Los reactores discontinuos se utilizan a menudo en la industria de procesos ; en el tratamiento de aguas residuales , ya que son eficaces para reducir la demanda biológica de oxígeno (DBO) del agua no tratada entrante; [3] en la industria farmacéutica ; en aplicaciones de laboratorio , como la producción a pequeña escala, la inducción de la fermentación de productos de bebidas y para experimentos de cinética de reacción y termodinámica ; etc. Los problemas comunes atribuidos a los reactores discontinuos son su costo relativamente alto y la falta de confiabilidad en términos de calidad del producto.