DL CH12 Reactor químico combinado

Transcripción

1 DL CH12 Reactor químico combinado Introducción La reacción química es la operación unitaria que tiene por objeto distribuir de una forma distinta los átomos de unas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas (productos). Los aparatos en los que se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan lógicamente reactores químicos. Su diseño debe realizarse atendiendo a las características de la reacción que se desea seguir. Más concretamente, deberán tenerse en cuenta las condiciones en las que la reacción es posible y en qué grado aspecto termodinámico, a qué velocidad transcurrirá aspecto cinético y qué fases se encontrarán presentes en la reacción. Los reactores químicos tendrán, pues, como funciones primordiales las siguientes: Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir deseado de los reactantes en el interior del aparato, para conseguir la mezcla deseada de las fases presentes, Proporcionar el tiempo de contacto suficiente entre las sustancias y con el catalizador, en su caso, para conseguir la extensión deseada de la reacción, Permitir las condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseadas, atendiendo a los aspectos termodinámico y cinético de la reacción.

2 Modelos de flujo Hay dos tipos básicos de contacto o modelos de flujo que corresponden a los dos grados extremos de mezcla entre los compuestos reaccionantes y productos. Si la mezcla es total en el interior del reactor el modelo de flujo se denomina modelo de mezcla perfecta. En él se considera que el contenido del recipiente está perfectamente homogeneizado y a la misma temperatura en todos sus puntos. La materia que se extraiga del recipiente tendrá exactamente las condiciones que hay en el seno de la mezcla. El otro modelo de flujo supone que no hay mezcla en absoluto. Las materias en reacción se mueven por el interior del reactor sin que haya mezcla por difusión ni convección en la dirección del flujo. Dos puntos vecinos de la mezcla en la dirección del flujo tienen condiciones distintas. No hay acumulación de materia en ningún punto del sistema. Estas son las condiciones del modelo de flujo en pistón, denominado así porque todo ocurre como sí una porción del fluido avanzara por el interior del reactor como movido por un pistón, sin mezclas laterales ni axiales. Los reactores existentes en la realidad están diseñados para que su comportamiento se acerque en lo posible a uno de los dos modelos de flujo descritos, para así poder predecir su comportamiento en la fase de diseño. Los reactores en que se tiende a conseguir el mayor grado de mezcla posible se denominan reactores tanque agitado. Los reactores que trabajan en condiciones que se aproximan al flujo de pistón son los reactores tubulares. Debe destacarse, de todos modos, que cualquier reactor presenta características parciales de los dos modelos: es muy difícil evitar las difusiones axiales y radiales en los reactores tubulares, así como evitar las segregaciones y caminos preferentes en los reactores de tanque agitado. Caracteristicas generales La Planta de Reacción Química permite el estudio de reacciones químicas en un reactor químico tubular así como en rectores de tanque agitado, para lo cual la planta esta compuesta por dos rectores: un reactor de tanque agitado, de capacidad variable entre 2 y 8 litros, un reactor tubular de 30 de longitud y 2,3 litros de capacidad. La unidad comprende lo que es la planta de proceso y el armario eléctrico desde donde se pueden controlar todos los elementos que intervienen. Todos los elementos

3 de la planta se controlan desde los interruptores de maneta existentes en este armario eléctrico. La planta incluye dos depósitos de 125 litros que contienen los reactivos, y desde los cuales se impulsan los mismos mediante sendas bombas peristálticas hacia la columna en operación. La columna del reactor químico tubular está rellena de agua y admite calefacción mediante la recirculación de este agua en circuito cerrado hacia un tanque dotado de una resistencia eléctrica de 2500 W. Esta resistencia debe funcionar siempre sumergida, de modo que el depósito de agua dispone de un detector de nivel que impide el funcionamiento de la resistencia si el nivel del agua no es suficiente. Este mismo sistema de calefacción permite mantener el reactor CSTR en la temperatura deseada gracias a un encamisado externo de dicho reactor. En el depósito de reacción del reactor químico tubular existe un arrollamiento de silicona de 30 metros de longitud, y un volumen útil de 2,3 litros que constituye el reactor tubular propiamente dicho. Los reactivos son impulsados por sendas bombas peristálticas de caudal entre 0 y 60 l/h y entran en la columna por su parte inferior a través de sendas válvulas antirretorno y se mezclan inmediatamente, mezclándose a continuación en el reactor y saliendo por la parte superior de la columna. Al estar el reactor sumergido en el agua de calefacción, durante su recorrido la mezcla de reactivos se mantiene a la temperatura adecuada para la reacción. Para poder visualizar el caudal de entrada de ambos reactivos al sistema se cuenta con sendos rotámetros de caudal máximo 60 l/h. De igual forma para la operación en el modo CSTR, cerrando previamente las válvulas de entrada al reactor químico tubular, y abriendo las de entrada al reactor de tanque agitado, los reactivos entrenaran en el reactor, de 150 mm de diámetro y 500 mm de altura en el que tiene lugar la reacción, este reactor dispone de un sistema de calefacción externo que permite mantener la temperatura en el valor deseado, así mismo la mezcla de reactivos es mantenida en agitación gracias al funcionamiento de una agitador de velocidad variable. Para que esta temperatura sea alcanzada ya en el momento de efectuarse la mezcla, en el propio tanque de agua de calefacción existen dos serpentines de acero inoxidable por los que circulan los reactivos antes de entrar en la columna de reacción y mezclarse allí. La regulación de la temperatura del depósito de calefacción es llevada a cabo por un controlador existente en el armario eléctrico. En él se puede ver en todo momento

4 tanto la temperatura real existente en el depósito como el punto de consigna fijado (temperatura deseada). A la salida del reactor tubular existe una sonda de conductividad que permite medir este parámetro para poder extraer conclusiones sobre la reacción efectuada, de igual forma el reactor de tanque agitado dispone de otra sonda de conductividad colocada en el interior del tanque. Ambos visualizadores se encuentran en el panel frontal del armario eléctrico. Con el equipo se suministran los manuales de funcionamiento y de prácticas a realizar en el mismo, ambos en castellano. Prácticas a realizar Caracterización del flujo en reactores tubulares, distribución de tiempos de residencia y CSTR. Determinación de la ecuación cinética para la reacción de hidrólisis básica del acetato de etilo. Calculo de la constante cinética. Determinar la influencia de la temperatura sobre la reacción. Determinar la influencia del tiempo de residencia sobre la reacción y de la velocidad de agitación. Se suministra además un computador PC conectado al equipo en el que se puede ejecutar un paquete de software SCADA que permitirá visualizar y controlar de forma remota la unidad. El software de control permite el control remoto y la monitorización del proceso. El paquete de software está diseñado para ejecutarse en un computador compatible PC bajo sistemas operativos Windows. El paquete incluye el programa de control y las librerías necesarias para la comunicación entre el computador y la planta. La comunicación se realiza a través de tarjetas especificas de adquisición de datos, incluidas en el cuadro eléctrico y de control de la planta. El funcionamiento remoto se selecciona mediante un conmutador existente también en el cuadro de control. En el momento en que se selecciona el modo de funcionamiento remoto, el panel de mando de la planta deja de ser operativo, y el control se realiza desde el programa instalado en el PC.

5 Diagrama de flujo En la siguiente figura puede verse un diagrama de flujo de la planta, indicando los diferentes elementos y las conexiones entre ellos. m S Reactor tubular Reactor agitado Bombas peristálticas de reactivos Depósitos de reactivos Depósito de calefacción Válvulas antirretorno Resistencia ºC