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Reactor Químico
Es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, diseñado
para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor
coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima
purificada o por el organismo que la contiene, se habla de biorreactores.
El diseño de un reactor químico requiere conocimientos de
termodinámica, cinética química, transferencia de masa y energía, así
como de mecánica de fluidos; balances de materia y energía son
necesarios. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor,
así como el método de operación, con base en los parámetros de diseño
se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor
ante ciertas condiciones.
Según su modo de operación
Reactores discontinuos: son aquellos
que trabajan por cargas, es decir se
introduce una alimentación, y se espera un
tiempo dado, que viene determinado por la
cinética de la reacción, tras el cual se saca
el producto.
Reactores continuos: son todos aquellos
que trabajan de forma continua y pueden
presentar un estado estacionario en su
operación.
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.
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,
suelen describirse conociendo la cinética
de las reacciones, la RTD (distribución de
edad del fluido) del flujo, el tipo de
mezclado pudiendo ser este tardío o
inmediato, y conociendo si el tipo de fluido
es micro o macro fluido.
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.
Reactor Batch Trabajan en estado no estacionario por ser
reactor discontinuo y el más sencillo sería un
tanque agitado. Este reactor tiene la ventaja
de que su costo de instrumentación es bajo,
además de ser flexible en su uso (se le puede
detener de modo fácil y rápido). Tiene la
desventaja de un elevado costo en su
funcionamiento y de mano de obra debido a la
gran cantidad de tiempo que se pasa parado
debido a la carga, descarga y limpieza;
Además no siempre es posible implementar
un sistema de control adecuado. Este reactor
suele usarse en pequeñas producciones o
pruebas piloto. Asumiendo que en un reactor
batch la composición es uniforme en cualquier
instante y basándose en la selección de un
componente limitante.
Reactor continuo tipo tanque agitador(CSTR) Estos reactores trabajan en estado
estacionario y son del tipo continuo, es decir,
que sus propiedades no varían con el tiempo.
Este modelo ideal supone que la reacción
alcanza la máxima conversión en el instante
en que la alimentación entra al tanque. Es
decir, que en cualquier punto de este equipo
las concentraciones son iguales a las de la
corriente de salida. Además para este tipo de
reactor se considera que la velocidad de
reacción para cualquier punto dentro del
tanque es la misma y suele evaluarse a la
concentración de salida. Para este reactor
suele asumirse que existe un mezclado
perfecto, en la práctica esto no es así, pero
puede crearse un mezclado de alta eficiencia
que se aproxima a las condiciones ideales.
Reactores en flujo pistón (PFR)
Estos reactores trabajan en estado
estacionario. Es decir, las
propiedades en un punto
determinado del reactor son
constantes con el tiempo. Este
modelo supone un flujo ideal de
pistón, y la conversión es función de
la posición. En este tipo de reactor la
composición del fluido varia de un
punto a otro a través de la dirección
del flujo, esto implica que el balance
para un componente dado de la o las
reacciones químicas implicadas o
debe realizarse en un elemento
diferencial de volumen.
Reactores catalíticos Suelen ser de dos tipos: fluidizado o de lecho empacado, la elección depende de la
reacción de interés y del mecanismo cinético observado
REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Los reactores de lecho fluidizado poseen las siguientes propiedades:
El flujo es complejo, no es bien conocido, solo se puede estimar de forma aproximadalos mecanismos de transferencia de masa, desde el punto de vista de transferencia elcontacto no es muy eficiente debido a la diferencia de varias barreras físicas, esto obligaa usar una mayor cantidad de catalizador.
El control de temperatura se realiza de forma más fácil, comparado con el reactor delecho empacado.
La reactivación del catalizador en caso de ser necesaria es más fácil y eficiente debidoa la fluidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador.
Este tipo de flujo es adecuado para partículas de tamaño pequeño, ideal parareacciones rápidas en donde se necesita una área de contacto grande.
A continuación se esquematiza este tipo de reactor y un proceso donde se usa unreactor de lecho fluidizado y su sistema de regeneración del catalizador.
REACTOR DE LECHO EMPACADO
El reactor de lecho fijo tiene las
siguientes características:
La regeneración del catalizador requiere del
uso de gases; Es común usar un sistema de
re-circulación a fin de aumentar la eficiencia
de reactivación
Este sistema presenta dificultades en el
control de temperatura debido a la formación
de zonas calientes y frías en el interior del
lecho.
No se puede usar un tamaño de catalizador
pequeño debido a la formación de tapones y
caídas de presión.
