Introducción a los reactores químicos Dr. Rogelio Cuevas García 1 Dr. Rogelio Cuevas García 1
Reactores Químicos Reactor Químico Es el dispositivo donde ocurre un cambio en la composición debido a la reacción química. Por lo tanto es cualquier recipiente donde ocurre una reacción química. El problema de la Ingeniería de reactores es realizar el diseño más adecuado, con una metodología independiente del tamaño y reacción que se lleva a cabo Dr. Rogelio Cuevas García 2 Dr. Rogelio Cuevas García 2
Definiciones útiles Generales SISTEMA HOMOGÉNEO: Aquel que presenta una sola fase y por tanto su composición es idéntica en cualquier parte del sistema. SISTEMA HETEROGÉNEO: Cuando se requiere la presencia de más de una fase para que la reacción se lleve a cabo. Dr. Rogelio Cuevas García 3 Dr. Rogelio Cuevas García 3
Definiciones útiles: FASE: región uniforme en un sistema. Esto significa propiedades físicas uniformes y composición química uniforme. Dr. Rogelio Cuevas García 4 Dr. Rogelio Cuevas García 4
Definiciones útiles Basándose en las definiciones i i anteriores podemos clasificar los tipos de reacciones en: REACCIÓN HOMOGÉNEA: Involucra una sola fase. REACCIÓN HETEROGÉNEA: Cuando se requiere más de una fase para que la reacción se lleve a cabo. Por lo tanto, puede Involucrar más de dos fases Entonces de acuerdo a lo anterior podemos encontrar reactores que operen con reacciones heterogéneas u homogéneas. Dentro de los reactores heterogéneos los reactores catalíticos, que operan con la presencia de catalizador, y los reactores no catalíticos. Al existir más de una fase se deben tomar en cuenta los fenómenos de transferencia de masa y energía. Dr. Rogelio Cuevas García 5 Dr. Rogelio Cuevas García 5
Clasificación de los Reactores Químicos Reactores homogéneos Catalíticos heterogéneos No Catalíticos Sólido-Gas Líquido-Gas Sólido-liquido-gas Sólido-Gas Liquido-Gas Sólido -Liquido Dr. Rogelio Cuevas García 6 Dr. Rogelio Cuevas García 6
Diferentes definiciones de tiempo En Ingeniería de reactores se utiliza el concepto de elemento de volumen Elemento de volumen: región del sistema (elemento de fluido) donde las propiedades del mismo pueden considerarse constantes. El tiempo de residencia (t) de un elemento del fluido es el tiempo que permanece dentro de un recipiente. En nuestro caso, el tiempo que permanece dentro del reactor. Más específicamente, el tiempo efectivo de reacción. En los reactores químicos, en algunas ocasiones el tiempo de residencia es igual para todos los elementos del fluido y en otras se presenta una distribución de tiempos de residencia (DTR) o RTD (por sus siglas en ingles: residence time distribution). El tiempo de residencia promedio es el promedio de los tiempos de residencia de todos los elementos de fluido. Dr. Rogelio Cuevas García 7 Dr. Rogelio Cuevas García 7
Diferentes definiciones de tiempo Solamente para sistemas de flujo Tiempo espacial (τ) es el tiempo requerido para que un volumen de alimentación igual al volumen del reactor pase a través del recipiente. Este parámetro se mide en condiciones arbitrarias, usualmente, en las condiciones de alimentación. El tiempo espacial es, generalmente, utilizado como una cantidad para escalar el volumen del reactor; pero las condiciones de reacción deben de ser iguales punto por punto en el escalamiento. Finalmente, la velocidad espacial (SV) se define como el reciproco del tiempo espacial y representa, entonces, el número de volúmenes de alimentación ió que se tratan en el reactor por unidad de tiempo. Por lo tanto, sus dimensiones son: tiempo -1. Dr. Rogelio Cuevas García 8 Dr. Rogelio Cuevas García 8
Clasificación de los Reactores Químicos Clasificación de los rectores químicos de acuerdo al modo de operación. Aquí los reactores se dividen en: a) Intermitentes, por lotes o batch. b) Continuos c) Semi-continuos o reactores de flujo no estacionario. Dr. Rogelio Cuevas García 9 Dr. Rogelio Cuevas García 9
Clasificación de los Reactores Químicos En el reactor intermitente. Durante su manejo en este tipo de reactor se realizan las siguientes operaciones: 1. Se agrega una carga de reactivos. 2. Se lleva el reactor a condiciones de operación. 3. Se mantiene a estas condiciones por un lapso de tiempo determinado (máximo días), durante los cuales se realiza la reacción. 4. Se lleva al reactor a las condiciones necesarias para descargar el producto. 5. Se lava el reactor. Con los cinco pasos anteriores se conforma el llamado ciclo de operación. La característica principal en los reactores de este tipo es la variación de las concentraciones dentro del reactor con el tiempo. Dr. Rogelio Cuevas García 10 Dr. Rogelio Cuevas García 10
Clasificación de los Reactores Químicos Reactores continuos 1. Un flujo estable de alimentación de reactivos y un flujo estable de salida de productos. 2. Para una posición fija a través del tiempo, no varía el grado de reacción y al variar el tiempo se tienen distintas composiciones. De estas características se deduce que 1. el reactor continuo permite tener un mejor control sobre la calidad de los productos, lo cual los hace ideales en el caso de que se desee lograr producciones grandes. 2. Los costos de instalación y construcción son altos porque entre otras cosas, se requiere un gran sistema de control, pero los costos de operación son bajos. Este tipo de reactores se utilizan en las industrias con altos volúmenes de producción como la refinación del petróleo. Dr. Rogelio Cuevas García 11 Dr. Rogelio Cuevas García 11
Elección del rector en cuanto a modo de operación Operación Intermitente Volúmenes de producción bajos. Costos de inversión bajos: a) Construcción relativamente simple. b) Sistema de control sencillo Costos variables altos a) Costos de mano de obra (cargado, vaciado, limpieza, etc.) Operación Continua Mayor volumen de producción. Costos de inversión alto a) Construcción especifica. b) Sistemas de control avanzado Costos de operación bajos a) Poco (supervisión instrumental), se reducen los riegos de error (humano) de operación Específicos por producto Flexibilidad d en la producción E ífi d t (diferentes productos en el mismo equipo) Dr. Rogelio Cuevas García 12 Dr. Rogelio Cuevas García 12
Usos comunes basados en el modo de operación Operación intermitente Obtención de cinéticas de reacción (debido a la fácil interpretación de los datos) Flexibilidad (productos de temporada) Fabricación de productos de alto costo Operación continua Diseño especifico Requieren que las especificaciones del producto no se alteren en gran medida a través del tiempo Dr. Rogelio Cuevas García 13 Dr. Rogelio Cuevas García 13
Estimado el % de uso de los reactores para algunas industrias Sector Industrial Modo de operación Discontinuo Continuo Químico 45 55 Alimentación 65 35 Farmacéutico 80 20 Metalúrgico 35 65 Vidrio y cemento 35 65 Papel 15 85 Refinación 5 95 Dr. Rogelio Cuevas García 14 Dr. Rogelio Cuevas García 14
Clasificación de acuerdo al modo de operación En los reactores se presentan dos opciones respecto al método de contacto de las corrientes de flujo Se hace todo lo posible para lograr que las corrientes del reactor se mezclen completamente (mezcla completa). Se evita que las corrientes de flujo se mezclen (flujoj pistón). ) Dr. Rogelio Cuevas García 15 Dr. Rogelio Cuevas García 15
clasificación de los reactores químicos a) Reactores Intermitentes (de mezcla completa) b) Reactores de mezcla completa (ideal) c) Reactores de flujo pistón Dr. Rogelio Cuevas García 16 Dr. Rogelio Cuevas García 16
Clasificación de los Reactores Químicos Clasificación de acuerdo al modo de operación Reactor de flujo pistón Reactores con agitación ideal Dr. Rogelio Cuevas García 17 Dr. Rogelio Cuevas García 17
Clasificación de los Reactores Químicos Clasificación en base a condiciones de mezclado Reactores de Mezcla Completa (Ideal). Se realiza todo lo posible para tener mezcladas todas las corrientes dentro del reactor. Dr. Rogelio Cuevas García 18 Dr. Rogelio Cuevas García 18
Condiciones para alcanzar el mezclado cercano al ideal 1. Relación L/D 2. Velocidad de agitación 3. Viscosidad del fluido Dr. Rogelio Cuevas García 19 Dr. Rogelio Cuevas García 19
Clasificación de los Reactores Químicos Clasificación en base a condiciones de mezclado Reactor de flujo pistón: No se realiza ningún intento para mezclar las corrientes de proceso. Dr. Rogelio Cuevas García 20 Dr. Rogelio Cuevas García 20
Clasificación de los reactores Químicos Reactor intermitente de tanque agitado. El reactor intermitente de tanque agitado conocido también, por facilidad, como Reactor Intermitente y asimismo como Reactor Batch (RB), es usado a menudo en investigaciones cinéticas dentro del laboratorio; sin embargo, también se le puede encontrar en operaciones industriales. Dr. Rogelio Cuevas García 21 Dr. Rogelio Cuevas García 21
Reactor intermitente (RB) Reactores intermitentes de laboratorio Dr. Rogelio Cuevas García 22 Dr. Rogelio Cuevas García 22
Reactores intermitentes industriales Dr. Rogelio Cuevas García 23 Dr. Rogelio Cuevas García 23
Reactores intermitentes industriales Tomado de Wallas, diseño de equipo de proceso. Dr. Rogelio Cuevas García 24 Dr. Rogelio Cuevas García 24
Reactor Intermitente (RB) Si consideramos detenidamente la forma en que se opera este reactor obtenemos como sus principales características a las siguientes: El reactor intermitente es un sistema cerrado; por lo tanto la masa total del mismo es constante. El tiempo de residencia (t) de todos los elementos del fluido es el mismo. La operación de este tipo de reactor es inherentemente en estado no estacionario; pues las concentraciones cambian con el tiempo. A B Dr. Rogelio Cuevas García 25 Dr. Rogelio Cuevas García 25
Reactor Intermitente (RB) Sin embargo, y debido a la agitación puede asumirse que la composición y la temperatura son homogéneas dentro del reactor. Lo anterior implica que puede considerarse a todo el reactor como el elemento de volumen La energía dentro de cada carga cambia (de acuerdo a como se esta llevando a cabo la reacción). Es posible la adición de un intercambiador de calor para controlar la temperatura. Dr. Rogelio Cuevas García 26 Dr. Rogelio Cuevas García 26
Reactores de mezcla completa Dr. Rogelio Cuevas García 27 Dr. Rogelio Cuevas García 27
Reactor ideal de mezcla completa (CSTR) Reactor ideal de mezcla completa: También conocido como:reactor demezcla completa de flujo continuo, reactor de tanque agitado y por sus siglas en ingles CSTR (Continuos Stirred Tank Reactor), CFSTR (Continuos Flow Stirred Tank Reactor), C*. Dr. Rogelio Cuevas García 28 Dr. Rogelio Cuevas García 28
Reactor de mezcla completa (CSTR) Debido a las propiedades del flujo este reactor presenta las siguientes características: 1. Dado que se presenta una agitación eficiente y el fluido dentro del recipiente esta uniformemente mezclado (por tanto, todos los elementos de fluido están uniformemente distribuidos), todos los elementos del fluido tienen la misma probabilidad de abandonar el reactor en cualquier tiempo. 2. Existe una distribución de tiempos de residencia (RTD). Dicha distribución puede apreciarse intuitivamente considerando lo siguiente: (i) Un elemento de fluido puede moverse directamente desde la entrada a la salida, puede existir un tiempo de residencia muy corto. (ii) Otro elemento del fluido puede participar en el movimiento de reciclado producto de la agitación y por lo tanto presentar un tiempo de residencia largo. Dicha distribución puede representarse matemáticamente Dr. Rogelio Cuevas García 29 Dr. Rogelio Cuevas García 29
Reactor de mezcla completa (CSTR). 3. Como consecuencia de la agitación ió eficiente las propiedades (concentración, temperatura y rapidez de reacción) dentro del reactor son uniformes. Se puede observar que la corriente de salida también presenta las mismas propiedades que el fluido dentro del recipiente. 4. Como consecuencia de (3) debe existir un cambio en escalón desde el valor deentrada al valor de salida de cualquier propiedad del sistema. Dr. Rogelio Cuevas García 30 Dr. Rogelio Cuevas García 30
Reactor de mezcla completa (CSTR). 4. La densidad d en el sistema de flujo no es necesariamente constante. Es decir la densidad de las corrientes en la entrada puede ser diferente de la densidad en las corrientes de salida. 5. Puede adicionarse un intercambiador de calor para controlar la temperatura. Dr. Rogelio Cuevas García 31 Dr. Rogelio Cuevas García 31
Corte de reactor CSTR industrial Dr. Rogelio Cuevas García 32 Dr. Rogelio Cuevas García 32
Ejemplos reactores CSTR industriales Dr. Rogelio Cuevas García 33 Dr. Rogelio Cuevas García 33
Ejemplos reactores CSTR industriales Nitrador Hough de hierro fundido con túneles exteriores (Grogins(1), cortesia McGraw- Hill book company, New, York) Dr. Rogelio Cuevas García 34 Dr. Rogelio Cuevas García 34
Ejemplos reactores CSTR industriales Dr. Rogelio Cuevas García 35 Dr. Rogelio Cuevas García 35
Control de temperatura en reactores CSTR (a) enchaquetado, (b) serpentín interno, (c) tubos internos, (d) intercambiador de calor externo, (e) condensador externo con reflujo, (f) calentador a fuego directo. Dr. Rogelio Cuevas García 36 Dr. Rogelio Cuevas García 36
Reactores de flujo pistón (PFR) Dr. Rogelio Cuevas García 37 Dr. Rogelio Cuevas García 37
Reactores de flujo pistón (PFR) También recibe los nombres de: Reactor tubular o PFR (Plug Flow Reactor). Dr. Rogelio Cuevas García 38 Dr. Rogelio Cuevas García 38
Reactor de Flujo pistón (PFR) Dr. Rogelio Cuevas García 39 Dr. Rogelio Cuevas García 39
Reactores de flujo pistón (PFR) Reactor de Flujo Pistón: No se realiza ningún intento para mezclar las corrientes de proceso. Dr. Rogelio Cuevas García 40 Dr. Rogelio Cuevas García 40
Ejemplos de reactores de flujo pistón industriales Horno de Schoenherr para la obtención de NO a partir del aire Dr. Rogelio Cuevas García 41 Dr. Rogelio Cuevas García 41
Reactor de flujo pistón Dr. Rogelio Cuevas García 42 Dr. Rogelio Cuevas García 42
Reactores de flujo pistón (PFR) 1) No existe mezclado axial del fluido dentro del recipiente. 2) Las propiedades del fluido, incluyendo la velocidad de flujo, en el plano radial (perpendicular al sentido de flujo) son uniformes. Esto puede lograrse si existe un mezclado completo en esa dirección. 3) La densidad de las corrientes puede cambiar en la dirección del flujo. 4) Puede existir itransferencia de calor a través de las paredes del reactor. Dr. Rogelio Cuevas García 43 Dr. Rogelio Cuevas García 43
Reactores de flujo pistón (PFR). Las consecuencias del modelo que presenta esas características son las siguientes: (a). Todos los elementos de fluido presentan el mismo tiempo de residencia, (t). No existe dispersión en los tiempos de residencia. (b). Las propiedades del sistemas (tómese C A, por ejemplo) cambian continuamente en la dirección del flujo. Dr. Rogelio Cuevas García 44 Dr. Rogelio Cuevas García 44
Reactores de flujo pistón (PFR) (c). En la direcciónió axial (z), cualquier porción de fluido se comporta como un sistema cerrado en movimiento. Esto es, no intercambia material con porciones de fluido que circulan antes o después. (d) El volumen de un elemento no es necesariamente constante cuando circula a lo largo del recipiente. El cambio de volumen puede deberse a cambios en T, P y el número de moles debido a la reacción. Dr. Rogelio Cuevas García 45 Dr. Rogelio Cuevas García 45
Desviaciones al comportamiento ideal Reactores PFR Mal diseño en las Flujo Laminar Canalizaciones boquillas de entrada Dr. Rogelio Cuevas García 46 Dr. Rogelio Cuevas García 46
Desviaciones al comportamiento ideal CSTR Zonas estancadas Canalizaciones Dr. Rogelio Cuevas García 47 Dr. Rogelio Cuevas García 47