Diseño de reactores
Como su propio nombre indica, el diseño de reactores es la ciencia y el arte de seleccionar, crear y diseñar los reactores químicos con un propósito específico: llevar de reactivos a productos de la forma más eficiente posible. Esta disciplina, junto a las diferentes operaciones de separación, son las que establecen a la ingeniería química como una rama independiente de la ingeniería. Para tal fin es necesario conocer tanto la cinética como la termodinámica de las reacciones de interés.
Existen varios criterios a la hora de clasificar a los reactores químicos. En función del número de fases presentes en el reactor, pueden distinguirse:
También pueden clasificarse según la forma en la que operan:
Dependiendo del tipo de flujo pueden clasificarse en:
Es el reactor en que su contenido esta perfectamente agitado y su composición es uniforme en todo el reactor en cada instante. La composición varía con el tiempo hasta alcanzar una conversión final o de equilibrio del reactivo para las condiciones establecidas (temperatura, concentraciones iniciales de reactivos, presencia de inertes). Una vez detenida la reacción (velocidad de reacción tendente a cero), se debe vaciar total o parcialmente el reactor e incorporar nueva corriente de entrada si se quiere seguir produciendo productos de reacción. Se usan en procesos difíciles de convertir en operaciones continuas. Se utilizan para fabricar productos de alto costo. Se utiliza para probar procesos nuevos que todavía no se han perfeccionado. El balance de materia implica términos de velocidad de consumo del reactivo limitante debido a la reacción química y velocidad de acumulación de reactivo limitante en el sistema. Cada lote es un sistema cerrado porque no hay corrientes de entrada o salida al sistema. La operación se realiza en estado no estacionario. El parámetro de diseño es el tiempo de reacción. La concentración varía con el tiempo de permanencia en el reactor. Se utilizan principalmente en operaciones a pequeña escala.
La composición de la corriente de salida es igual a la composición dentro de cualquier punto del reactor, esta composición no varía en el tiempo, por lo que se considera en estado estacionario. Este tipo de reactores son ideales para estudios cinéticos o de diseño experimental de reactores puesto que son de sencilla construcción en el laboratorio y además en su cálculo de diseño ofrecen la posibilidad de relacionar el grado de conversión requerido (X), la velocidad de reacción (r), el volumen (V) y las concentraciones iniciales de reactivos (Co), todo en una expresión resultante de un balance de masa, sin necesidad de integrar, puesto que el reactor se halla en estado estacionario respecto a la posición dentro del reactor y con respecto al tiempo. Est permite determinar la velocidad de reacción en cada experimento para la condiciones dentro del reactor.
Ecuación de diseño:
El balance de materia implica términos de velocidad de flujo de entrada de masa, velocidad de flujo de salida de masa, velocidad de consumo de reactantes en el sistema.
En los reactores de flujo pistón isotérmicos la temperatura no varía con la posición en el reactor. Además, no varía con el tiempo por tratarse de un reactor de flujo pistón en estado estacionario. La velocidad de reacción será sólo función de la conversión (o de la concentración).
En realidad los reactores de flujo en pistón son reactores tubulares que tienen la particularidad de que en ellos se supone que no existe retromezcla (backmixing) y que cada porción de corriente de entrada que ingresa no se mezcla para nada con su inmediata posterior, la composición de cada diferencial de volumen va variando respecto a la longitud del reactor.
Ecuación de diseño:
La ecuación de diseño general relaciona concentración inicial de reactante, conversión a lo largo del reactor, y velocidad de reacción con el tiempo de reacción.
Puede haber mezcla lateral del fluido pero nunca mezcla a lo largo de la trayectoria de flujo (retromezcla).
El reactor de flujo pistón opera en estado estacionario y su composición varía de un punto a otro a lo largo de la dirección de flujo.
El tiempo de residencia en el reactor es el mismo para todos los elementos de fluido.
La velocidad de reacción no varía axialmente a lo largo del reactor.
El tiempo espacial se puede variar cambiando la concentración inicial o con el grado de conversión deseado.
Es el tiempo necesario para tratar un volumen de alimentación igual al volumen del reactor, medido en condiciones determinadas de presión, temperatura y concentración de los reactivos.
Es una medida útil y adecuada para el diseño de reactores de flujo.
Para reacción de orden cero el tamaño del reactor es independiente del tipo de flujo. La relación de volúmenes aumenta con el orden de reacción. El reactor de mezcla completa es siempre mayor que el reactor de flujo en pistón, para todos los ordenes de reacción positivos. Para conversiones pequeñas el comportamiento del reactor está sólo levemente afectado por el tipo de flujo y la relación entre los mismos tiende a uno cuando la conversión tiende a cero.