introducción a los reactores químicos -...

01/09/2009

Dr. Rogelio Cuevas García 1

Introducción a los reactores químicos


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Reactores Químicos

Reactor QuímicoReactor Químico Es el dispositivo donde ocurre un cambio en la

composición debido a la reacción química.

Por lo tanto es cualquier recipiente donde ocurre unareacción química.

El problema de la Ingeniería de reactores es realizar eldiseño más adecuado, con una metodologíaindependiente del tamaño y reacción que se lleva a cabo


p y q

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Definiciones útiles Generales

ÉSISTEMA HOMOGÉNEO: Aquel que presentauna sola fase y por tanto su composición esidéntica en cualquier parte del sistema.

SISTEMA HETEROGÉNEO: Cuando se requierela presencia de más de una fase para que lareacción se lleve a cabo.


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Definiciones útiles:

FASE: región uniforme en un sistema. Esto significag gpropiedades físicas uniformes y composición químicauniforme.


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Definiciones útiles

B á d l d fi i i t i d l ifi l tiBasándose en las definiciones anteriores podemos clasificar los tiposde reacciones en:

REACCIÓN HOMOGÉNEA: Involucra una sola fase.

REACCIÓN HETEROGÉNEA: Cuando se requiere más de unaREACCIÓN HETEROGÉNEA: Cuando se requiere más de unafase para que la reacción se lleve a cabo. Por lo tanto, puedeInvolucrar más de dos fases

Entonces de acuerdo a lo anterior podemos encontrar reactores queoperen con reacciones heterogéneas u homogéneas. Dentro de losreactores heterogéneos los reactores catalíticos, que operan con la


g , q ppresencia de catalizador, y los reactores no catalíticos.

Al existir más de una fase se deben tomar en cuenta los fenómenos detransferencia de masa y energía.

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Clasificación de los Reactores Químicos

Reactoreshomogéneos heterogéneos

Catalíticos No CatalíticosCatalíticos No CatalíticosSólido-Gas

Líquido-Gas

Sólido-liquido-gas

Sólido-Gas

Liquido-Gas

Sólido -Liquido


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Diferentes definiciones de tiempoEn Ingeniería de reactores se utiliza el concepto de elemento de

volumenElemento de volumen: región del sistema (elemento de fluido)Elemento de volumen: región del sistema (elemento de fluido)donde las propiedades del mismo pueden considerarse constantes.

El tiempo de residencia (t) de un elemento del fluido es el tiempoque permanece dentro de un recipiente. En nuestro caso, el tiempoque permanece dentro del reactor. Más específicamente, el tiempoefectivo de reacción.

En los reactores químicos, en algunas ocasiones el tiempo deresidencia es igual para todos los elementos del fluido y en otras sepresenta una distribución de tiempos de residencia (DTR) o RTD(por sus siglas en ingles: residence time distribution).


El tiempo de residencia promedio es el promedio de los tiemposde residencia de todos los elementos de fluido.

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Diferentes definiciones de tiempoSolamente para sistemas de flujo

Tiempo espacial (τ) es el tiempo requerido para queTiempo espacial (τ) es el tiempo requerido para queun volumen de alimentación igual al volumen delreactor pase a través del recipiente. Este parámetro semide en condiciones arbitrarias, usualmente, en lascondiciones de alimentación. El tiempo espacial es,generalmente, utilizado como una cantidad parag pescalar el volumen del reactor; pero las condiciones dereacción deben de ser iguales punto por punto en elescalamiento.Finalmente, la velocidad espacial (SV) se definecomo el reciproco del tiempo espacial y representa,

t l ú d lú d li t ió


entonces, el número de volúmenes de alimentaciónque se tratan en el reactor por unidad de tiempo. Porlo tanto, sus dimensiones son: tiempo-1.

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Clasificación de los rectores químicos de acuerdo al modo de operación.

Aquí los reactores se dividen en:Aquí los reactores se dividen en:a) Intermitentes, por lotes o batch.b) Continuosc) Semi-continuos o reactores de flujo no estacionario.


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En el reactor intermitente Durante su manejo en este tipo de reactorEn el reactor intermitente. Durante su manejo en este tipo de reactorse realizan las siguientes operaciones:

1. Se agrega una carga de reactivos.2. Se lleva el reactor a condiciones de operación.3. Se mantiene a estas condiciones por un lapso de tiempo

determinado (máximo días), durante los cuales se realiza lareacciónreacción.

4. Se lleva al reactor a las condiciones necesarias para descargar elproducto.

5. Se lava el reactor.

Con los cinco pasos anteriores se conforma el llamado ciclo deoperación La característica principal en los reactores de este tipo


operación. La característica principal en los reactores de este tipoes la variación de las concentraciones dentro del reactor con eltiempo.

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Reactores continuos1 Un flujo estable de alimentación de reactivos y un flujo estable1. Un flujo estable de alimentación de reactivos y un flujo estable

de salida de productos.2. Para una posición fija a través del tiempo, no varía el grado de

reacción y al variar el tiempo se tienen distintas composiciones.

De estas características se deduce que1 el reactor continuo permite tener un mejor control sobre la1. el reactor continuo permite tener un mejor control sobre la

calidad de los productos, lo cual los hace ideales en el caso deque se desee lograr producciones grandes.

2. Los costos de instalación y construcción son altos porque entreotras cosas, se requiere un gran sistema de control, pero loscostos de operación son bajos.


Este tipo de reactores se utilizan en las industrias con altosvolúmenes de producción como la refinación del petróleo.

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Elección del rector en cuanto a modo de operación

Operación Intermitente Operación ContinuaVolúmenes de producción bajos. Mayor volumen de producción.Costos de inversión bajos:a) Construcción relativamente

simple.b) Sistema de control sencillo

Costos de inversión altoa) Construcción especifica.b) Sistemas de control avanzado

Costos variables altosa) Costos de mano de obra

(cargado, vaciado, limpieza, etc.)

Costos de operación bajosa) Poco (supervisión

instrumental), se reducen los riegos de error (humano) de operación

Fl ibilid d l d ió E ífi d t


Flexibilidad en la producción (diferentes productos en el mismo equipo)

Específicos por producto

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Usos comunes basados en el modo de operación

Operación intermitente Operación continuaObtención de cinéticas de reacción (debido a la fácil interpretación de los datos)

Diseño especifico

Flexibilidad (productos de Requieren que lasFlexibilidad (productos de temporada)

Requieren que las especificaciones del producto no se alteren en gran medida a través del tiempo

Fabricación de productos de alto costo


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Estimado el % de uso de los reactores para algunas industrias

Sector IndustrialModo de operaciónDiscontinuo Continuo

Químico 45 55Alimentación 65 35Alimentación 65 35Farmacéutico 80 20Metalúrgico 35 65Vidrio y cemento 35 65


Papel 15 85Refinación 5 95

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Clasificación de acuerdo al modo de operaciónEn los reactores se presentan dos opciones

respecto al método de contacto de lascorrientes de flujoSe hace todo lo posible para lograr que lasSe hace todo lo posible para lograr que lascorrientes del reactor se mezclencompletamente (mezcla completa).Se evita que las corrientes de flujo se

l (fl j i tó )


mezclen (flujo pistón).

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clasificación de los reactores químicos

a) Reactores Intermitentes (de mezcla completa)

b) Reactores de mezcla completa (ideal)) p ( )

c) Reactores de flujo pistón


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Clasificación de acuerdo al modo de operación


Reactor de flujo pistón Reactores con agitación ideal

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Clasificación de los Reactores QuímicosClasificación en base a condiciones de mezclado

Reactores de MezclaCompleta (Ideal).Se realiza todo loposible para tenermezcladas todas lascorrientes dentro delreactor.


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Condiciones para alcanzar el mezclado cercano al ideal

1. Relación L/D 2. Velocidad de agitación3. Viscosidad del fluido


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Clasificación de los Reactores QuímicosClasificación en base a condiciones de mezclado

Reactor de flujo pistón:No se realiza ningúnintento para mezclar lascorrientes de proceso.


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Clasificación de los reactores Químicos

Reactor intermitente de tanque agitado.

El reactor intermitente de tanque agitadoconocido también, por facilidad, como ReactorIntermitente y asimismo como Reactor Batch(RB), es usado a menudo en investigacionescinéticas dentro del laboratorio; sin embargo,también se le puede encontrar en operacionesindustriales.


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Reactor intermitente (RB)

Reactores intermitentes de laboratorio


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Reactores intermitentes industriales


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Reactores intermitentes industriales

Tomado de Wallas, diseño de equipo de proceso.


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Reactor Intermitente (RB)Si consideramos detenidamente la forma en que se opera este

reactor obtenemos como sus principales características a lassiguientes:siguientes:

El reactor intermitente es un sistema cerrado; por lo tanto lamasa total del mismo es constante.El tiempo de residencia (t) de todos los elementos del fluido esel mismo.L ió d i d i hLa operación de este tipo de reactor es inherentemente enestado no estacionario; pues las concentraciones cambian conel tiempo.

A B⎯⎯→


A B→

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Reactor Intermitente (RB)Sin embargo, y debido a la agitación puede asumirse

que la composición y la temperatura son homogéneasq p y p gdentro del reactor. Lo anterior implica que puedeconsiderarse a todo el reactor como el elemento devolumen

La energía dentro de cada “carga” cambia (de acuerdo aó )


como se esta llevando a cabo la reacción). Es posible laadición de un intercambiador de calor para controlar latemperatura.

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Reactores de mezcla completa


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Reactor ideal de mezcla completa (CSTR)

Reactor ideal de mezcla completa:T bié id R t d l l t dTambién conocido como: Reactor de mezcla completa de

flujo continuo, reactor de tanque agitado y por sussiglas en ingles CSTR (Continuos Stirred TankReactor), CFSTR (Continuos Flow Stirred TankReactor), C*.)


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Reactor de mezcla completa (CSTR)

Debido a las propiedades del flujo este reactor presenta las siguientes características:

1. Dado que se presenta una agitación eficiente y el fluido dentro delrecipiente esta uniformemente mezclado (por tanto, todos loselementos de fluido están uniformemente distribuidos), todos loselementos del fluido tienen la misma probabilidad de abandonar elreactor en cualquier tiempo.

2. Existe una distribución de tiempos de residencia (RTD). Dichadistribución puede apreciarse intuitivamente considerando losiguiente:

(i) Un elemento de fluido puede moverse directamente desde laentrada a la salida, puede existir un tiempo de residencia muy corto.

(ii) Otro elemento del fluido puede participar en el movimiento dereciclado producto de la agitación y por lo tanto presentar un tiempo


reciclado producto de la agitación y por lo tanto presentar un tiempode residencia largo. Dicha distribución puede representarsematemáticamente

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Reactor de mezcla completa (CSTR).

3 C i d l i ió3. Como consecuencia de la agitacióneficiente las propiedades(concentración, temperatura yrapidez de reacción) dentro delreactor son uniformes. Se puedeobservar que la corriente de salidaqtambién presenta las mismaspropiedades que el fluido dentro delrecipiente.

4. Como consecuencia de (3) debeexistir un cambio en escalón desde el

l d t d l l d lid d


valor de entrada al valor de salida decualquier propiedad del sistema.

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Reactor de mezcla completa (CSTR).

4 L d id d l i d fl j i4. La densidad en el sistema de flujo no es necesariamenteconstante. Es decir la densidad de las corrientes en la entradapuede ser diferente de la densidad en las corrientes de salida.

5. Puede adicionarse un intercambiador de calor para controlar latemperatura.


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Corte de reactor CSTR industrial


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Ejemplos reactores CSTR industriales


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Nitrador Hough de hierrofundido con túneles exteriores(Grogins(1), cortesia McGraw-Hill b k N Y k)Hill book company, New, York)


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Control de temperatura en reactores CSTR


(a) enchaquetado, (b) serpentín interno, (c) tubos internos, (d)intercambiador de calor externo, (e) condensador externo con reflujo, (f)calentador a fuego directo.

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Reactores de flujo pistón (PFR)


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También recibe los nombres de: Reactor tubular oTambién recibe los nombres de: Reactor tubular oPFR (Plug Flow Reactor).


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Reactor de Flujo pistón (PFR)


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Reactor de Flujo Pistón:


No se realiza ningún intento para mezclar las corrientes de proceso.


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Ejemplos de reactores de flujo pistón industriales

Horno de Schoenherr para laHorno de Schoenherr para laobtención de NO a partir del aire


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Reactor de flujo pistón


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1) N i t l d i l d l fl id d t d l1) No existe mezclado axial del fluido dentro delrecipiente.2) Las propiedades del fluido, incluyendo lavelocidad de flujo, en el plano radial (perpendicularal sentido de flujo) son uniformes. Esto puedeal sentido de flujo) son uniformes. Esto puedelograrse si existe un mezclado completo en esadirección.3) La densidad de las corrientes puede cambiar enla dirección del flujo.4) P d i i f i d l é d


4) Puede existir transferencia de calor a través delas paredes del reactor.

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Reactores de flujo pistón (PFR).

L i d l d lLas consecuencias del modelo que presenta esas características son las siguientes:(a). Todos los elementos de

fluido presentan el mismo tiempo de residencia (t) No existede residencia, (t). No existe dispersión en los tiempos de residencia.(b). Las propiedades del

sistemas (tómese CA, porejemplo) cambian continuamente


en la dirección del flujo.

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( ) E l di ió i l ( ) l i ió(c). En la dirección axial (z), cualquier porciónde fluido se comporta como un sistemacerrado en movimiento. Esto es, nointercambia material con porciones de fluidoque circulan antes o despuésque circulan antes o después.(d) El volumen de un elemento no esnecesariamente constante cuando circula a lolargo del recipiente. El cambio de volumenpuede deberse a cambios en T P y el número


puede deberse a cambios en T, P y el númerode moles debido a la reacción.

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Desviaciones al comportamiento idealReactores PFR

Mal diseño en las Flujo Laminar Canalizaciones


Mal diseño en las boquillas de

entrada

Flujo Laminar Canalizaciones

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Desviaciones al comportamiento idealCSTR

Z t d


Zonas estancadas

Canalizaciones

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