Reactor químico
Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, diseñado para maximizar la conversión y la selectividad de esa reacción con el menor coste posible.
Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, se habla de biorreactores.
Existen varias formas de clasificarlos: Idealmente, pueden suponerse tres tipos de reactores homogéneos: Trabajan en estado no estacionario y el más sencillo sería un tanque agitado.
Este reactor suele usarse en pequeñas producciones o pruebas piloto.
Asumiendo que en un reactor Batch la composición es uniforme en cualquier instante y basándose en la selección de un componente limitante; Las ecuaciones de diseño para este tipo de reactor en estado estacionario se deducen de la siguiente forma (se toma como ejemplo la especie molar A):
Siendo V el volumen del fluido en el reactor y
la velocidad de reacción para el componente limitante.
Evaluando los términos de la ecuación anterior se puede calcular el tiempo de residencia necesario para alcanzar la conversión deseada.
X toma un valor entre 0 y 1 Para aquellas reacciones en las que el volumen de la mezcla cambia proporcionalmente a la conversión la ecuación se transforma en
Aparte del tiempo de reacción, en un proceso industrial debe añadirse el tiempo de carga, descarga y limpieza para un este tipo de reactores y en general procesos en lotes.
Al mencionar servicio se hace referencia a los servicios térmicos, como ejemplo se puede mencionar el sistema de calentamiento por vapor, o el uso de un intercambiador de chaqueta en un recipiente.
Estos reactores trabajan en estado estacionario, es decir, que sus propiedades no varían con el tiempo.
Este modelo ideal supone que la reacción alcanza la máxima conversión en el instante en que la alimentación entra al tanque.
Además para este tipo de reactor se considera que la velocidad de reacción para cualquier punto dentro del tanque es la misma y suele evaluarse a la concentración de salida.
Para este reactor suele asumirse que existe un mezclado perfecto, en la práctica esto no es así, pero puede crearse un mezclado de alta eficiencia que se aproxima a las condiciones ideales.
El balance de materia para este reactor en términos molares es el siguiente.
suponiendo que el sistema opera en estado estacionario, el cambio de concentración molar tiende a cero.
En términos de conversión molar y tomando como ejemplo la especie reaccionante A de coeficiente estequiométrico igual a 1.
El diseño de operaciones tanto en sistemas CSTR como en reactores PFR usualmente es deseado determinar el “tiempo de residencia” (representado por la letra
y dimensionalmente se mide en segundos ) y el factor de escala (representado por la letra S), este último expresado como el volumen por unidad de masa del producto, los problemas de optimización se enfocan en reducir tanto
como S, esto se logra manipulando la relación de concentración entre los reactantes.
Este tipo de reactor resulta muy atractivo para estudios cinéticos debido a su simplicidad del cálculo característica.
La inversión en capital en equipo es importante, pero los costos de energía y el costo del producto es factor determinante, el uso de reactores en batería es muy común en la industria debido a que suele ser rentable.
Es decir, las propiedades en un punto determinado del reactor son constantes con el tiempo.
A fin de encontrar la ecuación de diseño, es necesario integrar la expresión, considerando que la velocidad de alimentación es constante, sustituyendo las ecuaciones anteriores en el balance general, agrupando términos y después integrando, se obtiene:
Respecto al balance de energía, también se basa en un modelo diferencial.
{\displaystyle {\dot {m}}\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dV}}=U\cdot dA\cdot (T_{servicio}-T_{reactor})+R\cdot -\Delta _{r}H}
Los reactores de lecho fluidizado poseen las siguientes propiedades:
El reactor de lecho empacado posee las siguientes características: Balance de materia: Al igual que el PFR, el balance es diferencial, además se toma en cuenta la difusión radial, el balance se realiza tomando en cuenta una geometría radial.
En muchas situaciones estos modelos ideales son válidos para casos reales, en caso contrario se habrán de introducir en los balances de materia, energía y presión términos que reflejen la desviación de la idealidad.
