Un reactor discontinuo es un reactor químico en el que se lleva a cabo una reacción no continua, es decir, uno en el que los reactivos , productos y disolventes no entran ni salen 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 discontinuos que no involucran una reacción química, como disolución de sólidos , mezcla de productos , destilación discontinua , cristalización y extracción líquido/líquido . En tales casos, sin embargo, no se les puede denominar reactores sino más bien con un término específico de la función que desempeñan (como cristalizador , biorreactor , etc.). [1]
Muchos procesos por lotes se diseñan sobre la base de una ampliación del laboratorio , particularmente para la fabricación de productos químicos y farmacéuticos especializados . 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 discontinuo típico consta de un recipiente a presión con un agitador y un sistema integral de calentamiento/enfriamiento. Los recipientes pueden variar en tamaño desde menos de 1 L hasta más de 15.000 L. Generalmente se fabrican en acero , acero inoxidable , acero revestido de vidrio , vidrio o aleaciones exóticas . La carga de líquidos y sólidos suele realizarse a través de conexiones situadas en la tapa superior del reactor. Los vapores y gases también se descargan a través de conexiones en la parte superior. Los líquidos normalmente se descargan por el fondo.
Las ventajas del reactor discontinuo residen en su versatilidad. Un solo buque puede realizar una secuencia de diferentes operaciones sin necesidad de romper la contención. Esto es particularmente 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 aérea . Las palas del impulsor están montadas en el eje. Se utiliza una amplia variedad de diseños de palas y normalmente las palas cubren aproximadamente dos tercios del diámetro del reactor. Cuando se manipulan productos viscosos, a menudo se utilizan paletas en forma de ancla que tienen un espacio reducido entre la pala y las paredes del recipiente.
La mayoría de los reactores discontinuos también utilizan deflectores . Se trata de palas estacionarias que interrumpen el flujo causado por el agitador giratorio. Estos pueden fijarse a la tapa del recipiente o montarse en el interior de las paredes laterales.
A pesar de las mejoras significativas en el diseño de las paletas del agitador y del deflector, la mezcla en reactores discontinuos de gran tamaño está, en última instancia, limitada por la cantidad de energía que se puede aplicar. En recipientes grandes, mezclar energías de más de 5 W /L puede 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 discontinuo 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 normalmente liberan o absorben calor durante el procesamiento. Incluso la acción de remover líquidos almacenados genera calor. Para mantener el contenido del reactor a la temperatura deseada , es necesario añadir o eliminar calor mediante una camisa de refrigeración o un tubo de refrigeración . Se utilizan serpentines de calentamiento/enfriamiento o camisas externas para calentar y enfriar reactores discontinuos. El fluido de transferencia de calor pasa a través de la camisa o las bobinas para agregar o eliminar 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 chaquetas 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 grandes reactores discontinuos con camisas de refrigeración externas tienen graves limitaciones en la transferencia de calor en virtud de su diseño. Es difícil alcanzar más de 100 W/L incluso en 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 procesos u operaciones de cristalización donde el producto o proceso es muy sensible a la temperatura. Hay varios tipos de camisas de enfriamiento de reactores discontinuos, incluidas camisas externas simples, camisas de media bobina y camisas térmicas de flujo constante.
El diseño de chaqueta única consta de una chaqueta exterior que rodea el recipiente. El fluido de transferencia de calor fluye alrededor de la camisa y se inyecta a alta velocidad mediante boquillas. La temperatura en la chaqueta se regula para controlar la calefacción o la refrigeración.
La chaqueta única es probablemente el diseño más antiguo de chaqueta de refrigeración externa. A pesar de ser una solución probada, tiene algunas limitaciones. En 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 caloportador también está lejos de ser ideal y el calentamiento o enfriamiento tiende a variar entre las paredes laterales y el plato inferior. Otra cuestión 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 temperatura para provocar puntos fríos o calientes 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 caloportador pasa a través del canal en forma de flujo pistón . Un reactor grande puede utilizar varios serpentines para suministrar el fluido de transferencia de calor. Al igual que la chaqueta única, la temperatura en la chaqueta se regula para controlar el calentamiento o el enfriamiento.
Las características de flujo pistón 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 única, 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 enfriamiento de flujo constante es un desarrollo relativamente reciente. No es una única chaqueta sino que tiene una serie de 20 o más elementos de chaqueta 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 la alta velocidad del fluido de transferencia de calor. Al igual que la camisa de media bobina, el flujo de calentamiento/enfriamiento es uniforme. Sin embargo, debido a que la camisa funciona a una temperatura sustancialmente constante, las oscilaciones de la temperatura de entrada que se observan en otras camisas están ausentes. Una característica inusual de este tipo de chaqueta 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 tasas 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 afluente no tratada; [3] en la industria farmacéutica ; en aplicaciones de laboratorio , como producción a pequeña escala, inducción de fermentación de bebidas y para experimentos de cinética y termodinámica de reacciones ; etc. Los problemas comunes que se atribuyen a los reactores discontinuos son su costo relativamente alto y su falta de confiabilidad en términos de calidad del producto.