Reactor químico

Un reactor químico es un volumen cerrado en el que tiene lugar una reacción química. En ingeniería química, generalmente se entiende por recipiente de proceso utilizado para llevar a cabo una reacción química, que es una de las operaciones unitarias clásicas en el análisis de procesos químicos. El diseño de un reactor químico aborda múltiples aspectos de la ingeniería química. Los ingenieros químicos diseñan reactores para maximizar el valor actual neto de la reacción dada. Los diseñadores se aseguran de que la reacción se desarrolle con la mayor eficiencia hacia el producto de salida deseado, produciendo el mayor rendimiento del producto y al mismo tiempo requiriendo la menor cantidad de dinero para comprarlo y operarlo. Los gastos operativos normales incluyen entrada y eliminación de energía, costos de materias primas, mano de obra, etc. Los cambios de energía pueden realizarse en forma de calefacción o refrigeración, bombeo para aumentar la presión, pérdida de presión por fricción o agitación.

La ingeniería de reacciones químicas es la rama de la ingeniería química que se ocupa de los reactores químicos y su diseño, especialmente mediante la aplicación de la cinética química a los sistemas industriales.

Descripción general

Los tipos básicos más comunes de reactores químicos son los tanques (donde los reactivos se mezclan en todo el volumen) y las tuberías o tubos (para reactores de flujo laminar y reactores de flujo pistón).

Ambos tipos pueden usarse como reactores continuos o reactores discontinuos, y cualquiera de ellos puede acomodar uno o más sólidos (reactivos, catalizadores o materiales inertes), pero los reactivos y productos suelen ser fluidos (líquidos o gases). Los reactores en procesos continuos normalmente funcionan en estado estacionario, mientras que los reactores en procesos discontinuos funcionan necesariamente en un estado transitorio. Cuando un reactor entra en funcionamiento, ya sea por primera vez o después de una parada, se encuentra en un estado transitorio y las variables clave del proceso cambian con el tiempo.

Hay tres modelos idealizados que se utilizan para estimar las variables de proceso más importantes de diferentes reactores químicos:

• Modelo de reactor de lote,
• Modelo continuo de reactor de hormigueo (CSTR) y
• Modelo de reactor de flujo de enchufe (PFR).

Muchos reactores del mundo real se pueden modelar como una combinación de estos tipos básicos.

Las variables clave del proceso incluyen:

• Tiempo de residencia (τ, caso inferior griego tau)
• Volumen (V)
• Temperatura (T)
• Presión (P)
• Concentraciones de especies químicas (C)₁C₂C₃,... C_n)
• Coeficientes de transferencia de calor (h, U)

Un reactor tubular a menudo puede ser un lecho compacto. En este caso, el tubo o canal contiene partículas o gránulos, normalmente un catalizador sólido. Los reactivos, en fase líquida o gaseosa, se bombean a través del lecho del catalizador. Un reactor químico también puede ser un lecho fluidizado; ver Reactor de lecho fluidizado.

Las reacciones químicas que ocurren en un reactor pueden ser exotérmicas, es decir, emitir calor, o endotérmicas, es decir, absorber calor. Un reactor de tanque puede tener una camisa de enfriamiento o calentamiento o serpentines (tubos) de enfriamiento o calentamiento enrollados alrededor del exterior de la pared de su recipiente para enfriar o calentar el contenido, mientras que los reactores tubulares pueden diseñarse como intercambiadores de calor si la reacción es fuertemente exotérmica., o como hornos si la reacción es fuertemente endotérmica.

Tipos

Reactor por lotes

El tipo de reactor más simple es el reactor discontinuo. Los materiales se cargan en un reactor discontinuo y la reacción avanza con el tiempo. Un reactor discontinuo no alcanza un estado estacionario y, a menudo, es necesario controlar la temperatura, la presión y el volumen. Por lo tanto, muchos reactores discontinuos tienen puertos para sensores y entrada y salida de material. Los reactores discontinuos se utilizan normalmente en la producción a pequeña escala y en reacciones con materiales biológicos, como en la elaboración de cerveza, la fabricación de pulpa y la producción de enzimas. Un ejemplo de reactor discontinuo es un reactor a presión.

CSTR (reactor de tanque agitado continuo)

En un CSTR, uno o más reactivos fluidos se introducen en un reactor de tanque que generalmente se agita con un impulsor para garantizar una mezcla adecuada de los reactivos mientras se elimina el efluente del reactor. Al dividir el volumen del tanque por el caudal volumétrico promedio a través del tanque se obtiene el espacio-tiempo, o el tiempo necesario para procesar el volumen de fluido de un reactor. Utilizando la cinética química, se puede calcular el porcentaje de finalización esperado de la reacción. Algunos aspectos importantes del CSTR:

• En estado fijo, la tasa de flujo de masa en debe igualar la tasa de flujo de masa hacia fuera, de lo contrario el tanque se desbordará o irá vacío (estado transitorio). Mientras el reactor está en un estado transitorio, la ecuación modelo debe derivarse de los equilibrios de masa y energía diferenciales.
• La reacción procede a la tasa de reacción asociada a la concentración final (salida), ya que se supone que la concentración es homogénea en todo el reactor.
• A menudo, es económicamente beneficioso operar varios CSTRs en serie. Esto permite, por ejemplo, que el primer CSTR funcione a una mayor concentración de reactivos y por lo tanto una mayor tasa de reacción. En estos casos, los tamaños de los reactores pueden ser variados para minimizar la inversión total de capital necesaria para implementar el proceso.
• Se puede demostrar que un número infinito de CSTRs infinitamente pequeños que operan en serie sería equivalente a un PFR.

El comportamiento de un CSTR a menudo se aproxima o modela mediante el de un reactor de tanque continuo idealmente agitado (CISTR). Todos los cálculos realizados con CISTR suponen una mezcla perfecta. Si el tiempo de residencia es de 5 a 10 veces el tiempo de mezcla, esta aproximación se considera válida para fines de ingeniería. El modelo CISTR se utiliza a menudo para simplificar los cálculos de ingeniería y puede utilizarse para describir reactores de investigación. En la práctica sólo es posible alcanzarlo, particularmente en reactores de tamaño industrial en los que el tiempo de mezclado puede ser muy largo.

Un reactor de bucle es un tipo híbrido de reactor catalítico que físicamente se parece a un reactor tubular, pero funciona como un CSTR. La mezcla de reacción se hace circular en un bucle de tubo, rodeado por una camisa para enfriar o calentar, y hay un flujo continuo de material de partida que entra y sale del producto.

PFR (reactor de flujo pistón)

En un PFR, a veces llamado reactor tubular continuo (CTR), uno o más reactivos fluidos se bombean a través de una tubería o tubo. La reacción química avanza a medida que los reactivos viajan a través del PFR. En este tipo de reactor, la velocidad de reacción cambiante crea un gradiente con respecto a la distancia recorrida; en la entrada del PFR la velocidad es muy alta, pero a medida que las concentraciones de los reactivos disminuyen y la concentración del producto(s) aumenta, la velocidad de reacción se ralentiza. Algunos aspectos importantes del PFR:

• El modelo PFR idealizado no asume ninguna mezcla axial: cualquier elemento de fluido que viaje a través del reactor no se mezcla con fluido aguas arriba o aguas abajo de él, como implica el término "flujo de aumento".
• Los reactores pueden introducirse en el PFR en lugares del reactor distintos de la entrada. De esta manera se puede obtener una mayor eficiencia, o el tamaño y costo del PFR pueden reducirse.
• Un PFR tiene una mayor eficiencia teórica que un CSTR del mismo volumen. Es decir, dada la misma hora espacial (o tiempo de residencia), una reacción procederá a una mayor terminación porcentual en un PFR que en un CSTR. Esto no siempre es cierto para las reacciones reversibles.

Para la mayoría de las reacciones químicas de interés industrial, es imposible que la reacción se complete al 100%. La velocidad de reacción disminuye a medida que los reactivos se consumen hasta el punto en que el sistema alcanza el equilibrio dinámico (no se produce ninguna reacción neta o se produce un cambio en las especies químicas). El punto de equilibrio para la mayoría de los sistemas está completo en menos del 100%. Por esta razón, un proceso de separación, como la destilación, a menudo sigue a un reactor químico para separar los reactivos o subproductos restantes del producto deseado. En ocasiones, estos reactivos pueden reutilizarse al comienzo del proceso, como en el proceso Haber. En algunos casos, serían necesarios reactores muy grandes para acercarse al equilibrio, y los ingenieros químicos pueden optar por separar la mezcla parcialmente reaccionada y reciclar los reactivos sobrantes.

En condiciones de flujo laminar, la suposición de flujo pistón es muy inexacta, ya que el fluido que viaja a través del centro del tubo se mueve mucho más rápido que el fluido en la pared. El reactor oscilatorio continuo con deflectores (COBR) logra una mezcla completa mediante la combinación de oscilación de fluido y deflectores de orificio, lo que permite aproximar el flujo tipo pistón en condiciones de flujo laminar.

Reactor semicontinuo

Un reactor semicontinuo funciona con entradas y salidas tanto continuas como discontinuas. Un fermentador, por ejemplo, se carga con un lote de medio y microbios que producen constantemente dióxido de carbono que debe eliminarse continuamente. De manera similar, hacer reaccionar un gas con un líquido suele ser difícil porque se requiere un gran volumen de gas para reaccionar con una masa igual de líquido. Para superar este problema, se puede burbujear una alimentación continua de gas a través de un lote de líquido. En general, en la operación semicontinua, se carga un reactivo químico en el reactor y se agrega lentamente un segundo producto químico (por ejemplo, para evitar reacciones secundarias), o se elimina continuamente un producto que resulta de un cambio de fase, por ejemplo un gas formado. por la reacción, un sólido que precipita o un producto hidrófobo que se forma en una solución acuosa.

Reactor catalítico

Aunque los reactores catalíticos a menudo se implementan como reactores de flujo pistón, su análisis requiere un tratamiento más complicado. La velocidad de una reacción catalítica es proporcional a la cantidad de catalizador en contacto con los reactivos, así como a la concentración de los reactivos. Con un catalizador en fase sólida y reactivos en fase fluida, esto es proporcional al área expuesta, la eficiencia de difusión de los reactivos hacia adentro y hacia afuera de los productos y la eficacia de la mezcla. Por lo general, no se puede dar por hecho una mezcla perfecta. Además, una vía de reacción catalítica a menudo ocurre en múltiples pasos con intermediarios que están unidos químicamente al catalizador; y como la unión química al catalizador también es una reacción química, puede afectar la cinética. Las reacciones catalíticas a menudo muestran la llamada cinética falsificada, cuando la cinética aparente difiere de la cinética química real debido a los efectos del transporte físico.

El comportamiento del catalizador también es una consideración. Especialmente en los procesos petroquímicos de alta temperatura, los catalizadores se desactivan mediante procesos como la sinterización, la coquización y el envenenamiento.

Un ejemplo común de reactor catalítico es el convertidor catalítico que procesa componentes tóxicos de los gases de escape de los automóviles. Sin embargo, la mayoría de los reactores petroquímicos son catalíticos y son responsables de la mayor parte de la producción química industrial, con ejemplos de volumen extremadamente alto que incluyen ácido sulfúrico, amoníaco, reformado/BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) y craqueo catalítico fluido. Son posibles varias configuraciones, consulte Reactor catalítico heterogéneo.