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Procesos Biotecnológicos II 2013
Reactores Químicos
Clase 3 Teóricos Prof. G. Picó
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reactor
Un recipiente donde ocurre una transformación química bajo condiciones reguladas
¿ qué es un reactor químico?
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Funciones principales de un reactor químico
1) Manejo adecuado de las variables del proceso (p, V, T, catalizadores, pH, etc)
2) Mejorar el proceso de mezcla entre los componentes
3) Hacer que el tiempo de contacto entre reactivos sea el adecuado
LOGRAR UN BUEN RENDIMIENTO DEL PRODUCTO
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Permite el manejo de las variables de estado
T, p, pH, [ ], pO2, etc
Determina la relación entre las variables de estado
ECUACIONES DE ESTADO
Leyes generales
Conservación de materia
Conservación energía
Conservación de movimiento
Ecuación MATEMATICA
TOMA DE DECISIONES
Dimensiones del equipo
Necesidades del proceso: calefacción, refrigeración, presión
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ANALISIS DE COSTOS
VIABILIDAD
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Clasificación de los reactores
Numero de fases: homogéneo
heterogéneo
Tipo de operación (carga y descarga de reactivos y productos):
Discontinuos
continuos
Forma de mezcla de los reactivos: reactores ideales
Reactores reales
Según entrada y salida de la energía: isotérmicos,
adiabáticos
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Dimensionado del reactor:
Volumen total
Altura del tanque (H/D)
Consumo de energía de agitacion
Tipo de Reactor
ESCALADO DEL RECTOR
Se sigue los mismos caminos que para escalar un agitador
P/V cte, Re cte, Na cte
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Las ecuaciones provienen de
Balance de materia
Balance de energia
Balance de energía mecánica 8agitación)
Ecuaciones de estado fisicas
Ecuaciones químicas (estequiométricas)
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Velocidad de reacción• La velocidad de reacción es la velocidad mediante una especie es
transformada por unidad de volumen.
• La velocidad de reacción (mol/L3/s) puede se espresda mediante:
– La velocidad de desaparición de un reactivo: -rA
O como– La velocidad de formación de un producto: rP
9999
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Según el tipo de flujo interno:Reactores ideales: suelen ser descritos con ecuaciones ideales sencillas y no consideran efectos físicos más complejos o perturbaciones pequeñas.
Parte del supuesto que la mezcla de todos los componentes dentro del reactor es perfecta.
Reactores no ideales: consideran el patrón de flujo, la existencia de zonas muertas dentro del reactor donde el material no circula, además consideran una dinámica de fluidos más compleja
CLASIFICACION DE LOS REACTORES
Según las fases que albergan:Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas.
Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-sólido, líquido-sólido, gas-líquido, gas-líquido-sólido.
V, CA
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Reactores Ideales
V, CA
V, CA
REACTOR IDEAL1. Los reactantes están mezclados a la entrada del reactor, el tiempo de mezcla es cero.
2. No se forman agregados moleculares.
3. Se sigue un modelo de flujo ideal.
Las condiciones para alcanzar el mezclado cercano al ideal son:
la relación HT - DT (relación altura del tanque vs diámetro del tanque).
- la viscosidad del medio
- velocidad de agitación
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Los reactores ideales
La clasificacion se basa en como varia la velocidad de reacción
1- Reactor discontinuo, o en lote o batch
tiempo
Velo
cid
ad
de r
eacci
ón
Vaciado y
descarga
V, CA
7
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tiempo
Velo
cid
ad
de r
eacci
ón
Reactor continuo
V, CA
Fo CoA
F1 CA
Reactor de pistón
Reactores continuos: estan en estado estacionario
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Balance de masas
=
+
−
=+−
=
+
−
time
mole
time
mole
time
mole
time
mole
dt
dNGFF
jSpeciesof
onAccumulati
RateMolar
jSpeciesof
Generation
RateMolar
outjSpecies
ofRate
FlowMolar
injSpecies
ofRate
FlowMolar
j
jjj
0
Fj0 FjGj
System Volume, V
14141414
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Balance de Masas
Ecuacion general de balance de masas Volumen constante: V
In − Out + Generation = Accumulation
FA 0 − FA + rA∫ dV = dNA
dt
FA0 FAGA
System Volume, V
15151515
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V, CA
Reactor por lote, discontinuo o batch
PtosAa →
[ ] [ ] {[ ]} [ ]masa queentra masa que sale masa generada masa consumida masa acumulada enel sistema− + − =
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Balance de masas reactor discontinuo
FA 0 − FA + rA∫ dV = dNA
dt
FA 0 = FA = 0
dNA
dt= rAV
Batch
VrdVr AA =∫Well Mixed
17171717
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Balance de masas
dt =dNA
rAVintegrando
Tiempo necesario para reducir el numero de moles de A de NAo
a NA.
t = 0 NA=NA0t = t NA=NA
∫−
=
A
A
N
N A
A
Vr
dNt
0
18181818
10
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Balance de masas
∫−
=
A
A
N
N A
A
Vr
dNt
0
NA
t19191919
20
dtvCvdt
dC
dtVol
dN
reaccióndeordenoniendocteVolsi
vVoldt
dN
AAAAA
AA
−=−==
=
−=
1sup,
∫=
A
oA
C
CA
A
v
dCt
AA Ckv −=
Ao
A
A
C
C
AA
AC
C
A
kC
Ct
Ck
dC
v
dCt
A
oA
A
oA
ln−=
−== ∫∫
t es el tiempo requerido para que el reactivo A adquiera una concentración CA, siendo la concentración inicial CAo
OTRA FORMA DE LLEGAR
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CACoACA
Av−
1
Area bajo la curva = tiempo
Sentido de la reacción
Graficamente:
Ao
A
A kC
Ct ln−=
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EjemploSupongamos que la reacción elemental, y de primer orden, A Bse lleva a cabo en un reactor por lote (batch). la constante de velocidad de reacción (k a 20 C) es igual a 0.05 min -1.
• Calcular el tiempo que se requiere para convertir 90 % del reactivo A.• Cual es el efecto de incrementar la velocidad de reacción?• Como puede conseguirse este efecto?
Ao
A
A kC
Ct ln−=
CACoACA
Av−
1
Area bajo la curva = tiempo
Sentido de la reacción
SI LA ESTEQUIOMETRIA DE LA REACCION ES MAS COMPLEJA
SE TRABAJA CON FRACCIONES DE REACCIÓN
X, varía entre 0 y 1o
A
AoA
AC
CCX
−=
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2) Reactor continúo tipo tanque agitado (CSTR):(Continuously Stirred Tank Reactor )
V, CA
Fo CoA
F1 CAtiempo
Velo
cid
ad
de r
eacci
ón
Estos reactores trabajan en estado estacionario, los valores de las variables no varían con el tiempo.
Tambien denominados de ordeñe constante
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Balance de Masas
Ecuación general de balance de masas Volumen constante: V
In − Out + Generation = Accumulation
FA 0 − FA + rA∫ dV = dNA
dt
FA0 FAGA
System Volume, V
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FA 0 − FA + rAV = 0
V =FA 0 − FA
−rA
VrdVr AA =∫Si la mezcla es perfecta
Es el volumen necesario para disminuir el flujo de FA0 a FA.
Reactores continuosBalance de masa
25252525
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Ventajas y desventajas entre el reactor por lote y el reactor continúo
Es adecuado para la produción de grandes cantidades de productos durante un tiempo muy largo
Es adecuado para trabajar con volumenes de producción menores
Reactor continuoReactor discontinuo
No se puede emplear para cualquier sistema. Se emplea para el sistema para el cual ha sido diseñado
Se puede emplear en diferentes tipos de racciones
Su mantenimiento es de alto costoSu mantenimiento es económico
Se detiene en tiempos largos, el proceso de re acondicionamiento generalmente es costoso
El proceso se puede detener, para limpiar facilmente el reactor.
Reactor continuoReactor discontinuo
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Reactor continuoReactor discontinuoComo trabaja continuamente, el re acondicionamiento se hace en tiempos largos.
Se pierde mucho tiempo entre cada ciclo, debido a la limpieza y re acondicionamiento
El producto producido es uniformeEl producto producido puede variar de calidad entre los ciclos.
Reactor continuoReactor discontinuo
Alto costo de instalación e infraestructura
Su costo de instalación es bajo
Fácil de intercalar en un proceso continuo
No se puede intercalar en un proceso continuo, necesita tanques para guardar el producto
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Reactores en serie
a) Por lote o discontinuo Ao
A
A kC
Ct ln−=
tiempo
% d
e tr
ansf
orm
ació
n
0
60
30
V, CA
V, CA
t1 t2
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Reactores en serie
a) Continuo
V, CA
Fo CoA
F1 CA
V, CA
Fo CoA
F1 CA
rCCoFVt /)(/ −−==
V =FA 0 − FA
−rA
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Conclusión y Resumen
En los Procesos Biotecnológicos se emplea:
1- el reactor por lote o discontinuo
Se emplea para microorganismos:bacterias, hongos, levaduras
Porqué ?
Se debe a la curva de crecimiento de un microorganismo
tiempo
crecimientoEstado estacionario muerte
Nu
me
ro d
e m
icro
org
an
ism
os
V, CA