Tipos de reactores_con_sus_caracteristic
- 1. Por: Cristian Giovany Gómez Olarte Estudiante Ing. Química E-mail: c_giovan@outlook.com 1 Introducción al Diseño de Reactores Escuela de Ingeniería Química 14 de abril de 2015 Reactores químicos Los reactores, en los cuales se fabrican productos quí- micos en la industria, varían en tamaño desde unos po- cos cm3 a vastas estructuras que a menudo se represen- tan en fotografía de plantas industriales. Por ejemplo, los hornos que producen cal de piedra caliza pueden ser más de 25 metros de altura y mantener, al mismo tiempo, más de 400 toneladas de materiales. El diseño del reactor está determinada por muchos fac- tores, pero de particular importancia son la termodiná- mica y la cinética de las reacciones químicas que se lle- van a cabo. Los dos tipos principales de reactor se denominan por lotes también conocidos como “batch” o “discontinuos” y continuos. REACTORES BATCH O DISCONTINUOS Los reactores discontinuos se utilizan para la mayoría de las reacciones llevadas a cabo en un laboratorio. Los reactivos se colocan en un tubo de ensayo, frasco o vaso de precipitados. Se mezclan juntos, a menudo se calientan para que la reacción tenga lugar y luego se en- frían. Los productos se vierten y, en caso necesario, se purifican. Este procedimiento también se lleva a cabo en la in- dustria, la diferencia clave radica en el tamaño del reac- tor y las cantidades de reactivos. Figura 1. Reactor Batch Después de la reacción, el reactor se limpia para agregar otro lote de reactivos. Los reactores discontinuos o tipo batch se usan usual- mente cuando una compañía quiere producir una gama de productos que involucran diferentes reactivos y condiciones de operación del reactor. Entonces ellos usan el mismo equipo para estas reacciones. Un ejemplo de proceso en el cual se usa reactor discon- tinuo incluye la manufactura de colorantes y margarina. Figura 2. Colorantes producidos en un reactor batch. La parte superior del reactor es a nivel del suelo y el resto del reactor se suspende por debajo de ella. REACTORES CONTINUOS Una alternativa a un proceso discontinuo, tipo batch o ‘por lotes’ es alimentar, por un punto, continuamente al reactor los reactivos correspondientes, permitir que la reacción tenga lugar y retirar los productos por otro extremo. Debe haber una tasa de flujo igual de reactivos y productos. Los reactores continuos rara vez se utili- zan en el laboratorio. Un ablandador de agua puede ser un ejemplo de proceso continuo. El agua dura de la red eléctrica se pasa a través de un tubo que contiene una resina de intercambio iónico. La reacción se lleva a cabo en el tubo y el agua blanda sale por el otro ex- tremo.
- 2. Por: Cristian Giovany Gómez Olarte Estudiante Ing. Química E-mail: c_giovan@outlook.com 2 Introducción al Diseño de Reactores Escuela de Ingeniería Química 14 de abril de 2015 Figura 3. Reactor continuo Los reactores continuos se instalan normalmente cuando se están produciendo grandes cantidades de un producto químico. Es importante que el reactor pueda operar durante varios meses sin detenerse. El tiempo de residencia en el reactor está definido por la tasa de alimentación de los reactivos al reactor. Por ejemplo, si un reactor tiene un volumen de 20 m3 y la tasa de alimentación de reactivos es 40 m3 /h, entonces el tiempo de residencia es tr = (20/40) = 0,5 h. Es sen- cillo controlar con precisión la tasa de flujo de reacti- vos. El volumen se fija y por tanto el tiempo de resi- dencia en el reactor está también bien controlado. El producto tiende a ser de mayor calidad en un reacator continuo debido a que los parámetros de reacción (es de- cir, tiempo de residencia, temperatura y presión) están mucho mejor controlados que en los procesos disconti- nuos o tipo ‘batch’. También producen menos residuos y requieren un al- macenamiento de materias primas y productos mucho menor resultando en una operación más eficiente. Los costos de capital por tonelada de producto producido en consecuencia son más bajos. La principal desventaja es su falta de flexibilidad una vez que el reactor se ha construido, pues sólo en casos raros se puede utilizar para llevar a cabo una reacción química diferente. Tipos de reactores continuos La industria utiliza varios tipos de reactores continuos. (A) Reactores tubulares. Los fluidos fluyen a altas ve- locidades. Mientras los reactivos fluyen, por ejemplo a lo largo de una tubería calentada, se van convirtiendo en productos (Fig. 4). A estas altas velocidades, los productos son incapaces de difundirse hacia atrás y por tanto hay poco o nada de re-mezclado. Las condiciones se co- nocen como flujo tapón. Esto reduce la aparición de reacciones laterales y aumenta el rendi- miento del producto deseado. Con una velocidad de flujo constante, las con- diciones en cualquier punto permanecen cons- tantes con el tiempo y los cambios en el tiempo de la reacción se miden en términos de la posi- ción a lo largo de la longitud del tubo. La velocidad de reacción es más rápida en la entrada de la tubería debido a que la concentra- ción de los reactivos está en su nivel más alto y la velocidad de reacción se reduce a medida que los reactivos fluyen a través de la tubería debido a la disminución en la concentración del reac- tivo. Figura 4. Un reactor tubular utilizado en la producción de metil 2-metilpropenoato. El reactor de la Fig. 4 se calienta mediante va- por de alta presión que tiene una temperatura de 470 K y se alimenta en el punto 1 y los pro- ductos salen en el punto 2. Este tipo de reacto- res tubulares se utiliza, por ejemplo, en el cra- queo con vapor de etano, propano y butano y nafta para producir alquenos. (B) Reactores de lecho fijo. Un catalizador heterogéneo se utiliza con frecuencia en la industria en la que fluyen los gases a través de un catalizador sólido (que es a menudo con forma de peque- ños gránulos para incrementar el área superfi- cial). Se describe a menudo como un lecho fijo (Fixed Bed) de catalizador. (Ver Fig. 5). Entre los ejemplos de su uso están la fabricación de ácido sulfúrico (el proceso de Contacto con el
- 3. Por: Cristian Giovany Gómez Olarte Estudiante Ing. Química E-mail: c_giovan@outlook.com 3 Introducción al Diseño de Reactores Escuela de Ingeniería Química 14 de abril de 2015 óxido de vanadio como catalizador), la manu- factura de ácido nítrico y la fabricación de amo- níaco (el proceso Haber, con hierro como ca- talizador). Figura 5. Reactor de lecho fijo (fixed bed) Un ejemplo adicional de un reactor de lecho fijo está en el reformado catalítico de nafta para producir alcanos de cadena ramificada, cicloal- canos e hidrocarburos aromáticos utilizando generalmente platino o una aleación de platino- renio sobre un soporte de alúmina. (C) Reactores de lecho fluidizado (Fluid Bed). Un reactor de lecho fluidizado se utiliza algunas veces cuando las partículas del catalizador, que son muy finas se colocan en una placa distribui- dora. Cuando los reactivos gaseosos pasan a través de la placa distribuidora, las partículas se van con los gases formando un fluido (Fig. 6). Esto asegura muy buena mezcla de los reacti- vos con el catalizador, con alto contacto entre las moléculas gaseosas y el catalizador y una buena transferencia de calor. Esto da lugar a una reacción rápida y una mezcla uniforme, redu- ciendo la variabilidad de las condiciones del proceso. Un ejemplo de la utilización de reactores de le- cho fluidizado se encuentra en la oxicloración de eteno a cloroeteno (cloruro de vinilo), la ma- teria prima para el polímero policloroeteno (PVC). El catalizador es de cloruro de cobre (II) y cloruro de potasio depositados sobre la superficie de la alúmina. Está apoyo es tan sutil que actúa como un fluido cuando los gases pa- san a través de él. Figura 6. Reactor de lecho fluidizado. En el lado izquierdo las partículas están en reposo. En el lado derecho, las partículas están actuando como un fluido, mientras los reactivos gaseosos pasan a través del sólido. Otro ejemplo es el craqueo catalítico de aceite gaseoso para producir alquenos (eteno y pro- peno) y gasolina con un alto índice de octano. Figura 7. Un craqueo catalítico para producir alquenos apartir de aceite gaseoso. Un catalizador de sílice-alúmina se utiliza, pero las partículas finas de carbono se depositan rá- pidamente sobre su superficie y el cataizador rápidamente se vuelve inefectivo. El cataliza- dor, aún en forma de fluido, es regenerado mientras pasa a un segundo recipiente donde es calentado fuertemente en aire (algunas veces con oxígeno agregado) quema el carbono (fig. 7) y luego regresa a la zona de reacción y se mezcla con gasolina. Estos reactores son más grandes que los reac- tores de lecho fluidizado y son más costosos de
- 4. Por: Cristian Giovany Gómez Olarte Estudiante Ing. Química E-mail: c_giovan@outlook.com 4 Introducción al Diseño de Reactores Escuela de Ingeniería Química 14 de abril de 2015 construir. Sin embargo, es más fácil de contro- lar las condiciones de operación y el proceso es más eficiente. Figura 8. Parte de la planta de craqueo catalítico en Fawley al sur de inglaterra. 1 Columna de fraccionamiento para eliminar y recu- perar butanos. 2 Regenerador del catalizador 3 Columna de fraccionamiento para remover y re- cobrar etano. (D)Reactores de tanque agitado continuos (CSTR). En un CSTR, uno o más reactivos –por ejemplo, en solución o como una suspensión– se introdu- cen en el reactor equipado con un impulsor (agitador) y los productos se extraen continua- mente. El impulsor agita los reaccionantes vi- gorosamente para asegurar una buena mezcla de tal modo que hay una composición uni- forme en todo el sistema. Figura 9. Diagrama que ilustra un reactor de tanque agitado continuo. La composición a la salida es la misma del reactor. Estas son exactamente las condiciones opuestas a aquellas en un reactor de flujo tubu- lar donde no hay prácticamente ninguna mez- cla entre reactivos y productos. Un estado estacionario se debe alcanzar cuando la tasa de flujo que ingresa al reactor es igual que la tasa de flujo que sale, pues de otro modo el tanque estaría vacío o desbordado. El tiempo de residencia se calcula dividiendo el volumen del tanque entre la tasa de flujo volumétrico promedio. Por ejemplo, si el flujo de reactivos es 10 m3 /h y el volumen del tanque es 1 m3 , el tiempo de residencia es 1/10 h, es decir, 6 mi- nutos. Figura 10. Un reactor CSTR usado para fabricar polietileno al por mayor. Un reactor CSTR se usa, por ejemplo, en la producción de la amida intermedia formada en el proceso de producción de metil 2-metilpro- penoato. Ácido sulfúrico y 2-hidroxi-2-metil- propanonitrilo se alimentan al tanque a una temperatura de 400 K. el calor generado por la reacción se remueve alimentando agua a través de serpentines de refrigeración y el tiempo de residencia es de aproximadamente 15 minutos. Una variación del CSTR es el reactor de bucle que es relativamente simple y barato de cons- truir (fig. 11). En el diagrama se muestra un
- 5. Por: Cristian Giovany Gómez Olarte Estudiante Ing. Química E-mail: c_giovan@outlook.com 5 Introducción al Diseño de Reactores Escuela de Ingeniería Química 14 de abril de 2015 único bucle. Sin embargo, el tiempo de residen- cia en el reactor se ajusta mediante la alteración de la longitud o el número de los bucles en el reactor. Figura 11. Diagrama que muestra un reactor de bucle utilizado en la producción de Polietileno. Los reactores de bucle se utilizan, por ejemplo, en la manufactura de polietileno y de polipropeno. Se mez- cla eteno (o propeno) con el catalizador, bajo presión, con un diluyente, por lo general un hidrocarburo. Se produce una suspensión que es calentada y circulada alrededor de los bucles. Las partículas de polímero se reúnen en la parte inferior de una de las patas de bucle y, con algo de diluyente hidrocarbonado, se liberan continuamente desde el sistema. El diluyente se eva- pora, dejando el polímero sólido, y luego se enfría para reformar un líquido y pasarlo de nuevo al sistema de bucle, recirculando así el hidrocarburo. INTERCAMBIADORES DE CALOR La mayoría de las reacciones químicas son más rápido a temperaturas más altas y los intercambiadores de ca- lor se usan con frecuencia para proporcionar el calor necesario para aumentar la temperatura de la reacción. Un intercambiador de calor común es el de tipo carcasa y tubos (Shell and tube) (fig. 12 y 13) donde una parte del proceso fluye a través de un tubo y la otra parte alrededor de la carcasa. Un buen ejemplo donde el intercambiador de calor es importante es en la fabricación de trióxido de azufre a partir de dióxido de azufre en el proceso de contacto donde el exceso de calor se usa para calentar los gases entrantes. Figura 12. Ilustración de un intercambiador de calor usado para fabricar trióxido de azufre. El calor de la reacción es transferido a los gases entran- tes a través de la pared del tubo (fig. 12) y la tasa de transferencia de calor es proporcional a: - La diferencia de temperatura entre los gases ca- lientes y los gases entrantes y - El área superficial total de los tubos Figura 13. Este intercambiador se usa para producto de enfriamiento con agua que ingresa a la caracasa por el lado 1 y la abandona en 2. El producto a enfriarse fluye a través de los pequeños tubos.