Clasificación y Tipos de Reactores Químicos, Resúmenes de Fisicoquímica

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Introducción a los reactores químicos

Dr. Rogelio Cuevas García 1

Reactores Químicos

„„ Reactor QuímicoReactor 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

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p y q

Definiciones útiles:

„ FASE : región uniforme en un sistema. Esto significag g

propiedades físicas uniformes y composición química

uniforme.

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Definiciones útiles

BB asándose en las definiciones anteriores podemos clasificar los tiposá d l d fi i i t i d l ifi l ti

de reacciones en:

„ REACCIÓN HOMOGÉNEA : Involucra una sola fase.

„„ REACCIÓNREACCIÓN HETEROGÉNEAHETEROGÉNEA : Cuando se requiere más de una: 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

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g , q p 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.

Diferentes definiciones de tiempo

En Ingeniería de reactores se utiliza el concepto de elemento de volumen

„ ElementoElemento dede volumenvolumen : región del sistema (elemento de fluido): 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).

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„ El tiempo de residencia promedio es el promedio de los tiempos

de residencia de todos los elementos de fluido.

Diferentes definiciones de tiempo

Solamente para sistemas de flujo

„ TiempoTiempo espacialespacial (( ττ )) eses elel tiempotiempo requeridorequerido parapara queque

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,g utilizado como una cantidad parap

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,

t l ú d lú d li t ió

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entonces, el número de volúmenes de alimentación

que se tratan en el reactor por unidad de tiempo. Por

lo tanto, sus dimensiones son: tiempo -1.

Clasificación de los Reactores Químicos

EnEn elel reactorreactor intermitenteintermitente. DuranteDurante susu manejomanejo enen esteeste tipotipo dede reactorreactor 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 reacciónreacción.
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

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operación. La característica principal en los reactores de este tipo es la variación de las concentraciones dentro del reactor con el tiempo.

Clasificación de los Reactores Químicos

Reactores continuos

1 1. Un flujo estable de alimentación de reactivos y un flujo estableUn 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 1. elel reactorreactor continuocontinuo permitepermite tenertener unun mejormejor controlcontrol sobresobre lala 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.

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Este tipo de reactores se utilizan en las industrias con altos volúmenes de producción como la refinación del petróleo.

Usos comunes basados en el modo de operación

Operación intermitente Operación continua

Obtención de cinéticas de

reacción (debido a la fácil

interpretación de los datos)

Diseño especifico

Flexibilidad (productos deFlexibilidad (productos de Requieren que las

temporada)

Requieren que las especificaciones del producto no se alteren en gran medida a través del tiempo

Fabricación de productos de alto

costo

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Estimado el % de uso de los reactores para algunas

industrias

Sector Industrial

Modo de operación

Discontinuo Continuo

Químico 45 55

AlimentaciónAlimentación 6565 3535

Farmacéutico 80 20

Metalúrgico 35 65

Vidrio y cemento 35 65

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Papel 15 85

Refinación 5 95

clasificación de los reactores químicos

a) Reactores Intermitentes (de mezcla completa)

b) Reactores de mezcla completa (ideal)) p ( )

c) Reactores de flujo pistón

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Clasificación de los Reactores Químicos

Clasificación de acuerdo al modo de operación

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Reactor de flujo pistón Reactores con agitación ideal

Condiciones para alcanzar el mezclado

cercano al ideal

1. Relación L/D 2. Velocidad de agitación
   3. Viscosidad del fluido

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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.

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