Trabajo Reactores

INTRODUCCIÓN A REACTORES

Alumno. Edward Dayan Gomez Reyes. Materia. Análisis de Reactores y Catálisis Industrial. Docente. Hernandez Fernandez Francisco j.

INDICE

1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………….....

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2. OBJETIVOS……………………………………………………………………………………………………

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3. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………………………………

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3.1. Reactor Químico…………………………………………………………………………………….....

1

3.2. Reacción Homogénea y Heterogénea…………………………………………………….....

2

3.3. Reactores homogéneos y heterogéneos…………………………………………............

2

3.4. Reactor continuo y discontinuo………………………………………………………............ 2 3.4.1. Reactor continúo……………………………………………………………………………..... 3 3.4.2. Reactor discontinuo………………………………………………………………………....... 3 3.4.3. Comparación entre los reactores discontinuos y continuos………………... 4 3.5. Tipos de Reactores Químicos.………………………………………………………………....... 4 3.6. Elección del Reactor.………………………………………………………………………………..... 7 3.7. Influencia del calor de reacción sobre el tipo de reactor.…………………………… 9 3.7.1. Reactores Adiabáticos.……………………………………………………………………….. 10 3.7.2. Reactores con transmisión de calor……………………………………………………. 10 3.7.3. Operación de reactores autotérmicos………………………………………………… 11 3.8. Elección de las condiciones del proceso……………………………….……………………. 13 3.8.1. Equilibrio químico y cinética química………………………………..………………… 13 3.8.2. Calculo de la conversión del equilibrio……………………………………………….. 14 3.9. Proceso de fabricación de estireno por deshidratación de etilbenceno……… 15 3.10. Elección definitiva de las condiciones del reactor…………………………………..... 19 4. CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………….. 21 5. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………............. 22

1. INTRODUCCIÓN.

Con el gran progreso de la humanidad de los últimos años, el uso de las reacciones químicas que se pueden dar dentro de un reactor químico, para obtener determinados productos, se convirtió en una parte esencial para el desarrollo de la humanidad.

Los reactores son equipos que nos permiten controlar una reacción y aprovechar el calor generado, el uso de variables como presión, temperatura y concentración, son importantes por varias razones, como por ejemplo la eficiencia con la que producen las reacciones también porque permite controlar los procesos de producción y aprovechar mejor las condiciones para obtener productos de mejor calidad, más puros, también porque reciclan algunos productos sobrantes como por ejemplo un reactor nuclear puede calentar agua o producir energía eléctrica a partir de la energía térmica que se obtuvo del proceso nuclear llevado a cabo.

En el contexto de la industria química, un reactor químico es una unidad de procesos diseñada para llevar a cabo uno o varias reacciones químicas. Esta definición generalmente implica un sistema bien delimitado, casi siempre un recipiente cerrado, con líneas de entrada y salida claramente especificadas y estricto algoritmo de control [1].

Por esta razones es necesario introducirnos más en lo que es una reactor y sus aplicaciones en los diferente procesos.

En el presente trabajo se pretende conocerán la clasificación y los tipos de reactores que existen, pero se dará una mayor importancia a las pautas para la elección correcta de un determinado reactor según el proceso donde se desee incorporarlo.

2. OBJETIVOS.

¿Conocer las principales tipos de reactores? ¿Conocer los criterios de selección de un reactor? ¿Estudiar la influencia del calor en los reactores?

3. MARCO TEÓRICO.

3.1. Reactor Químico.

Un reactor químico es una unidad de proceso diseñado para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad de proceso está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas y está gobernado por un algoritmo de control.

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Los reactores químicos tienen como funciones principales: • Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. • Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. • Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

3.2. Reacción Homogénea y Heterogénea.

Las Reacciones Químicas pueden dividirse en: Reacción Homogénea involucra solo una fase. Reacción Heterogénea cuando se involucra 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 reacción homogénea u heterogénea.

3.3. Reactores homogéneos y heterogéneos.

Los reactores químicos pueden dividirse en dos categorías principales, homogéneas y heterogéneas. En los reactores homogéneos existe solo una fase, generalmente de gas o liquido; si interviene más de una reacción ha de conseguirse una mezcla de los mismos para conseguir un todo homogéneo. La mezcla de las reacciones es, con frecuencia, la forma de iniciar la reacción, si bien, en ocasión, se mezclan los reaccionantes y se llevan después a la temperatura que se desea.

En los reactores heterogéneos están presentes dos, o incluso tres fases, son ejemplos corrientes los sistemas gas-liquido, gas-solido, liquido-solido y liquido-liquido. En aquellos casos en el que una de las fases es un sólido, este es con frecuencia un catalizador; los reactores catalíticos gas-solido forman, en particular, una clase importante en el sistema heterogéneo las reacciones químicas pueden ser verdaderamente heterogéneas con reacciones químicas. En un reactor catalítico gas-solido la reacción tiene lugar en la superficie del solido es, por consiguiente heterogénea; sin embargo, el burbujeo de una gas atreves de un liquido puede servir para disolver el gas en el liquido, en el que reacción de forma homogénea es necesario realizar el contacto entre fases gas-liquido. Los reactores heterogéneos presentan generalmente una mayor variedad de configuración y forma de contacto que los reactores homogéneos.

3.4. Reactor continuo y discontinuo.

Otro tipo de clasificación que permite subdividir a los reactores homogéneos y heterogéneos es

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el modo de operación estos pueden ser continuos y discontinuos.

3.4.1. Reactor continúo.

Los típicos reactores continuos son recipientes agitados, ya sea de modo simple o en cascada, con tuberías de flujo de descarga. En estos sistemas todos los reactivos son continuamente cargados al reactor y los productos son continuamente descargados.

Los reactores continuos se caracterizan por trabajar en condiciones estacionarias, en las que tanto el calor generado como la composición permanecen constantes durante la operación.

Los procesos continuos tienen una principal ventaja, la economía de escala. La producción en gran volumen de un producto estándar generalmente proporciona una buena recuperación del capital invertido. Dado que los requerimientos de productos no cambian significativamente, el proceso necesitará mínimas modificaciones durante su vida de trabajo para mantenerse competitivo.

Además los procesos continuos tienen otras ventajas, en relación a los procesos discontinuos: • Se requiere menos espacio • Se requiere menos material • Se necesita menor volumen de almacenaje.

3.4.2. Reactor discontinuo.

Un reactor por lotes es un recipiente en el cual los reactivos son precargados y que se vacía cuando la reacción se ha completado.

La ventaja clave es la flexibilidad de este tipo de procesos. Por eso se utilizan mayoritariamente en la industria química, alimentaria o farmacéutica, donde es muy importante ofrecer una gran variedad de productos e introducir otros nuevos muy rápidamente, ya que estos sectores industriales operan en mercados altamente competitivos. Los equipos de procesos discontinuos se diseñan para manejar un rango de operaciones y productos. La flexibilidad permite manufacturar nuevos productos sin tener que construir una nueva planta o sin tener que hacer grandes cambios de equipo. Esta flexibilidad también permite producir pequeñas cantidades de un producto sin arriesgar toda la productividad.

En los reactores discontinuos, todos los reactivos son cargados inicialmente en el reactor y la reacción continúa entonces hasta completarse. Una desviación excesiva de la reacción, suele ser difícil de controlar. Por ello, frecuentemente para reacciones exotérmicas y para las de dos fases (gas-líquido) se utiliza una operación semi-discontinua. En éstas sólo parte de los

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reactivos son cargados inicialmente, y el resto de reactivos y catalizador son añadidos de modo controlado. De este modo, si ocurre una pérdida de control es posible detener la carga de reactivos.

Los reactores discontinuos o por lotes se caracterizan por trabajar en condiciones no estacionarias; es decir, que durante la operación la composición y la generación de calor cambian.

3.4.3. Comparación entre los reactores discontinuos y continuos.

En la etapa de diseño de un proceso, una de las elecciones que hay que hacer es la del reactor que se va a usar. El reactor es el equipo principal de la mayoría de procesos y la elección del tipo correcto puede realmente mejorar la seguridad del proceso. La selección del tipo de proceso suele venir dada por consideraciones como, por ejemplo, el tamaño de la planta y la complejidad relativa.

A escala industrial, se utilizan dos métodos de proceso: continuo y discontinuo (por lotes o batch). Un caso particular de proceso discontinuo es el llamado proceso semi-discontinuo, en el que uno de los reactivos se va adicionando de modo continuo. Las características de los reactores continuos y discontinuos se muestran en la Cuadro 1.

Características

Continuo

Discontinuo

Operación de proceso

Ocurre continua y simultáneamente.

Ocurre una secuencia específica.

Diseño de equipo, uso

Diseñado para producir productos específicos.

Diseñado para ser capaz de producir muchos productos.

Producto

Un flujo continuo.

Una cantidad limitada (lote).

Entorno

Usualmente estado fijo con presión, flujo, etc., constantes.

Intervención del operador

Principalmente, para corregir condiciones anormales.

Variable, a menudo cambiando notablemente entre operaciones. Necesario regularmente como parte de las operaciones de proceso.

Cuadro 1. Comparación entre procesos continuo y discontinuo.

3.5. Tipos de Reactores Químicos.

Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes(6):

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a) REACTOR DISCONTINUO. Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino más bien, al inicio del proceso se introduce los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no convertidos. También es conocido como reactor tipo Batch.

b) REACTOR CONTINUO. Mientras tiene lugar la reacción química al interior del reactor, éste se alimenta constantemente de material reactante, y también se retira interrumpidamente los productos de la reacción.

c) REACTOR SEMICONTINUO. Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va retirando productos y también incorporando más material de manera casi continúa.

d) REACTOR TUBULAR. En general es cualquier reactor de operación continua, con movimiento constante de uno o todos los reactivos en una dirección espacial seleccionada, y en el cual no se hace ningún intento por inducir al mezclado. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un extremo y salen por el otro.

e) TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA. Este reactor consiste en un tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado. La agitación del contenido es esencial, debido a que el flujo interior debe estar en constante circulación y así producir una mezcla uniforme.

f) REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. Se utiliza para reacciones donde intervengan un sólido y un fluido (generalmente un gas). En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rápido de partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formación de zonas calientes.

g) REACTOR DE LECHO FIJO. Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos como el platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido acético.

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h) REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. En estos reactores el catalizador sólido está presente como en el lecho fijo. Los reactivos se hacen pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a través del lecho.

i) REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. Una fase fluida pasa hacia arriba a través de un lecho formado por sólidos. El sólido se alimenta por la parte superior del lecho, se mueve hacia debajo de la columna y se saca por la parte inferior.

j) REACTOR DE BURBUJAS. Permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso a través de un líquido con el que puede reaccionar, porque el líquido contiene un catalizador disuelto, no volátil u otro reactivo. El producto se puede sacar del reactor en la corriente gaseosa.

k) REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIÓN. Son similares a los reactores de burbujeo, pero la fase líquida está formada por una suspensión de líquidos y partículas finas del catalizador sólido.

l) REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. En este reactor las propiedades no se modifican ni con el tiempo ni con la posición, ya que suponemos que estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeño en comparación con el tiempo de permanencia en el reactor. En la práctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco viscosa y esté bien agitada.

m) REACTORES DE RECIRCULACIÓN. Pueden ser CON DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente a la entrada del reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se recirculan de nuevo al reactor.

n) REACTORES DE MEMBRANA. Son aquellos que combinan la reacción y la separación en una sola unidad; la membrana selectivamente remueve una (o más) de las especies reactantes o productos. Estos reactores han sido comúnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la reacción están limitados por el equilibrio. También han sido propuestos y usados para otras aplicaciones; para incrementar el rendimiento y la selectividad de reacciones enzimáticas y catalíticas influyendo a través de la membrana sobre la concentración de una (o más) especies intermedias, removiéndolas selectivamente (o ayudando a mantenerlas en una concentración baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interface controlada entre dos o más reactantes.

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o) FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en una sopa espesa que contiene crecimientos filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la fabricación de antibióticos como la penicilina.

p) REACTOR TRICKLE BED. Este tipo de reactor supone la existencia de un flujo continuo de gas y otro de líquido hacia abajo sobre un lecho fijo de partículas sólidas catalíticas, las características de las partículas sólidas y de su empaquetamiento, junto con los caudales y propiedades de las dos corrientes de fluidos determinarán el régimen de flujo del reactor y también sus propiedades fluido-dinámicas.

También se pueden mencionar los reactores ISOTÉRMICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y también los reactores ISOBÁRICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma presión constante.

3.6. Elección del Reactor.

Para un mejor análisis y para una buena elección se tomaran en cuenta los principales tipos de reactores que existen, ya que tomar en cuenta todos los tipos de reactores, antes de ayudarnos a una elección nos confundirían más para elegir un reactor para un determinado proceso.

La elección del tipo de reactor debería hacerse con el objetivo de evitar reacciones peligrosas no deseadas, maximizando la selectividad (rendimiento) del producto deseado y alcanzando una velocidad de producción elevada, tal como muestra la Cuadro 2. En general, si se pretende una producción pequeña lo más adecuado es utilizar un reactor discontinuo o semi-discontinuo, mientras que para grandes tasas de producción es mejor usar reactores continuos, de Reactor de Flujo Pistón o Tubular “plug flow” (PFR) o reactores de tanque continuamente agitados (CSTR).

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PFR

CSTR

Discontinuo

Semi-Discontinuo

La agitación suministrada una herramienta de seguridad.

Velocidad de adición controlable. La agitación suministra una herramienta de seguridad. Gran exotérmica controlable.

Ventajas Bajo Inventario. Condiciones estacionarias.

Condiciones estacionarias. La agitación suministra una herramienta de seguridad. El flujo puede se diluido para ralentizar la reacción.

Desventajas Dependencia del proceso. Posibles puntos calientes. Agitación presente solo si son disponibles mezcla en línea. Difícil de diseñar.

Gran inventario. Difícil de enfriar grades masas. Difícil empezar y detener. Problemas de precipitación. Bajo rendimiento.

Grandes exotérmicas difícil de controlar. Grandes inventarios. Todos los materiales.

La temperatura de inicio es critica (si es muy baja, se acumulan reactivos). Problemas de precipitación.

Cuadro 2. Comparación entre diferentes tipos de reactores.

Las características que determinan la elección de un proceso continuo (PFR y CSTR) son: • Para una velocidad dada de producción, los materiales reactivos se van añadiendo al sistema en pequeñas cantidades; por ello, si están involucrados materiales inflamables, con este tipo de procesos el riesgo de incendio se reduce considerablemente. • Los productos intermedios son consumidos tan rápidamente como se forman, minimizando el riesgo si éstos son peligrosos. • Ya que no hay variaciones de las condiciones de

proceso con el tiempo, el control

automático se puede aplicar más fácilmente. Se reducen los riesgos por un error del operador. • El equipo de proceso no está sujeto a fluctuaciones cíclicas de presión y temperatura. • Cuando puedan tener lugar dos reacciones paralelas, pero sólo interesa una de ellas, un proceso continuo dará rendimientos más elevados.

Las características que determinan la elección de un proceso discontinuo o batch son: • Cuando están involucradas operaciones peligrosas, las unidades deben ser aisladas unas de otras. La propagación de un fuego o explosión se puede evitar al dividir el proceso en pequeñas unidades aisladas paralelamente. • Cuando la seguridad depende de la pureza del producto, un proceso discontinuo puede ser ventajoso (siempre y cuando se realice un control analítico cuidadoso de la calidad

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del producto en cada lote). • Para reacciones simples, un proceso discontinuo o semi-discontinuo

proporciona

rendimientos más altos de producto. • Si el producto deseado se descompone por una reacción consecutiva, el rendimiento será más alto en un reactor discontinuo, que en uno semi-discontinuo. Sin embargo, si son los reactivos, los que pueden dar subproductos en reacciones paralelas, una operación semi-discontinua dará rendimientos más altos. De todos modos, si la producción de calor por unidad de masa es muy alta, la reacción puede entonces transcurrir bajo control de modo seguro sólo en un reactor semi-discontinuo.

3.7. Influencia del calor de reacción sobre el tipo de reactor.

En todo cambio químico es acompañado por un calor de reacción, que solamente en algunos casos están pequeño que puede despreciar.

En reaccione fuertemente exotérmicas donde se produce un considerable

aumento de

temperatura de la mezcla de reacción donde esto puede arruinar la reacción, a menos que se realicen las previsiones necesarias para que el calor se transfiera a medida que el proceso tiene lugar de reacción.

Si la temperatura de la mezcla de reacción permanece constante (operación isotérmica), el calor equivalente al calor de reacción ha de ser transferido desde o hacia el reactor. Si el calor no se transfiere (operación adiabática), la temperatura de la mezcla de la reacción aumenta o disminuirá a medida que tiene lugar la reacción.

En la práctica puede ser más conveniente adoptar una alternativa intermedia entre estos dos extremos; en el caso de una reacción fuertemente exotérmica puede ser necesario realizar una cierta transferencia de calor desde el reactor, con el fin de mantener controlada la reacción, pero un aumento moderado de la temperatura puede ser aceptable, especialmente cuando la operación estrictamente isotérmica implicaría un esquema de control complicado y costoso.

En el diseño de un reactor, hay dos cuestiones muy importantes que plantearse.

a) ¿Cual es el calor de reacción? b) ¿Cual es el intervalo aceptable en el que puede permitirse que varié la temperatura?

Las respuestas a estas preguntas puede ser clave para todo el diseño. Generalmente el intervalo de temperatura se puede especificar por aproximación como un límite inferior temperatura esta determinado con frecuencia por la velocidad de reacción y el límite superior por la aparición de reacciones laterales no deseables.

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3.7.1. Reactores Adiabáticos.

En lo posible se prefiere una operación adiabática por su simplicidad de diseño. En la figura 1 se presenta el reactor de una planta de reformado catalítico de nafta de petróleo.

Figura 1. Planta de reformado catalítico de nafta de petróleo.

Proceso importante para mejorar el índice de octano de la gasolina. La mayoría de la reacción de reformado es endotérmica por lo que si la operación es adiabática la temperatura descenderá en el curso de la reacción. Si el reactor estuviese constituido por una sola unidad, la caída de temperatura sería muy eleva, es decir o bien la temperatura de entrada sería demasiado alta y produciría reacciones no deseables o la reacción no sería completa por que la temperatura en la salida sería demasiado baja.

El problema se resuelve de forma adecuada

dividiendo el reactor en tres secciones. Se

suministra el calor desde el exterior en cada sección y las temperaturas intermedias aumentan, de tal modo que cada sección del reactor opera adiabáticamente. La división del reactor en secciones tiene la ventaja que las temperatura intermedias pueden ajustarse.

3.7.2. Reactores con transmisión de calor.

Si el reactor no opera adiabáticamente se ha de incluir en su diseño la transmisión de calor. En la figura 2 se indica algunas formas en que el contenido del reactor discontinuo puede calentarse o enfriarse.

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Figura 2. Reactor discontinuo en los que se indican métodos diferentes de calentamiento y enfriamiento.

En a y b la camisa y el serpentín forman parte integral del reactor, mientras que en c se utiliza un cambiador de calor externo con una bomba de recirculación. Si uno de los componentes de la mezcla de reacción, como puede ser el disolvente, es volátil a la temperatura de operación, el cambiador de calor externo puede ser un condensador de reflujo, análogamente se realiza en el laboratorio.

Figura 3. Métodos de transmisión de calor a reactores tubulares.

En la figura 3 se indica formas de diseño de reactores tubulares que incluyen la transmisión de calor. Si la cantidad de calor que ha de transferirse es elevada, la relación entre la superficie de transmisión de calor y el volumen del reactor será también elevado y el reactor será semejante a un cambiador de calor, según se indica en la figura 3b. Si la reacción se lleva acabo a una temperatura elevada y es fuertemente endotérmica el reactor estará directamente en contacto con el fuego producido por la combustión de petróleo o gas será semejante a un horno tubular.

3.7.3. Operación de reactores autotérmicos.

Si para que la reacción tenga lugar a una velocidad razonable se requiere temperaturas elevadas, los productos de reacción abandonaran el reactor a una temperatura alta y en interés de la economía, se trata de recuperar calor a partir de los mismo. Puesto que hade suministrarse calor a los reaccionantes para que almacenen la temperatura de reacción, un

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método muy común consiste en emplear los productos calientes para calentar la alimentación a la entrada, según se indica en la figura 4a.

Si la reacción es exotérmica en grado suficiente, se producirá el calor de reacción necesaria para compensar las pérdidas del sistema y para obtener la diferencia de temperatura necesaria en el cambiador de calor. Se utiliza el término autotermico para describir un sistema que puede mantenerse completamente asimismo en sus necesidades de energía.

Figura 4. Operación de reactores autotérmicos.

La característica esencial de un reactor autotermico es el retorno al punto de entrada del calor de reacción, con el fin de elevar la temperatura y por consiguiente, la velocidad de la reacción

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de la corriente de entrada de reaccionante. Esto puede realizarse de distintas forma, según se indica en la figura 4. En reactor tubular dicho reactor puede conseguir por intercambio externo de calor, como en el figura 4b. En ambos casos se trata de reactores catalíticos por tratarse de estos reactores, la reacción puede tener lugar únicamente en la zona ocupada por el catalizador, de forma que el perfil de temperatura tiene la forma indicada a lo largo del reactor. En la figura 4c se representa un reactor continuo de tanque agitado, en el que la alimentación fría se mezcla instantáneamente con un volumen grande de productos calientes, produciéndose una reacción rápida.

La cámara de combustión de un cohete con combustible líquido es un reactor de este tipo, siendo los productos gases calientes que son expedidos con velocidad elevada. En la figura 4d se representa otro tipo de proceso de combustión en el cual una llama laminar de forma cónica se estabiliza en el orificio de un sencillo quemador de gas. En este caso, el retorno del calor de combustión se produce por transferencia en dirección opuesta a la del flujo de la mezcla fría de reacción.

Otra característica del sistema autotermico es que, aunque en último extremo es capaz de automantenerse, se requiere una fuente externa de calor para iniciarlo. La reacción ha de ponerse en ignición por elevación de la temperatura de los reaccionantes hasta un valor suficientemente elevado para que comience la reacción. Por otro lado, la operación estable puede obtenerse solamente en un intervalo limitado de condiciones de operación. En relación con la operación autotermica de un reactor continúo tanque agitado.

3.8. Elección de las condiciones del proceso.

La elección de la temperatura, presión, flujo de alimentación de reaccionantes y composiciones a la entrada del reactor, está íntimamente ligada con el diseño del proceso global. Con el fin de especificar las variables anteriores, el ingeniero debe guiarse por los conocimientos físicos y químicos fundamentales de la reacción.

3.8.1. Equilibrio químico y cinética química.

Los dos principios básicos que intervienen en la elección de las condiciones para llevar a cabo una reacción, son la termodinámica, con el subtitulo de equilibrio químico y la cinética química. En sentido estricto toda reacción química es reversible y con independencia de la rapidez con que transcurre, no puede continuar más allá del punto de equilibrio químico de la mezcla de reacción, para unas condiciones particulares de temperatura y presión. Por consiguiente para condiciones especificas, las leyes del equilibrio químico, a través de la constante de equilibrio, permiten determinar hasta donde puede proseguir la reacción si se deja el tiempo suficiente para que pueda alcanzar el equilibrio. Por otra parte, las leyes de la cinética química permiten

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determinar la velocidad con que tendrá lugar la reacción hacia ese grado de reacción máximo. Si la constante de equilibrio es muy elevada, desde el punto de vista práctico puede considerarse que la reacción es irreversible. Sin embargo, aun caso que una reacción se suponga irreversible, no sería prudente para la ingeniería prescindir del cálculo de la constante de equilibrio, así como comprobar la posición del mismo, especialmente para conversiones elevadas.

Las leyes del equilibrio termodinámico y de cinética has de considerarse conjuntamente al decidir las condiciones del proceso; en realidad, toda ecuación completa de velocidad para una reacción reversible ha de incluir las constantes de equilibrio o su equivalente, si bien el ingeniero no dispone de ecuaciones completas de velocidad. La primera pregunta que hay que formularse es: ¿en qué intervalo de temperatura tendrá lugar la reacción química con velocidad razonable (en presencia naturalmente de un catalizador que puede haberse desarrollado para la reacción)?. El paso siguiente consiste en calcular los valores de la constante de equilibrio es ese intervalo de temperatura, empleando los principios de la termodinámica química. La constante de equilibrio para una reacción, Kp depende solamente de la temperatura, de acuerdo con la relación:

d ln K p dT



H RT 2

Siendo -∆H el calor de reacción. La constante de equilibrio se utiliza, por lo tanto, para determinar el límite hasta el cual puede llegar la reacción en condiciones de temperatura y composición de reacción, que puede ser las más adecuadas.

3.8.2. Calculo de la conversión del equilibrio.

Mientras que la constante de equilibrio depende únicamente de la temperatura, la conversión en el equilibrio de la composición de la mezcla inicial de reacción y en general de la presión. Si la constante de equilibrio es muy elevada la reacción puede considerarse irreversible; si es baja, entonces la obtención de conversiones aceptables puede conseguirse únicamente empleando presiones altas o bajas. Dos ejemplos importantes son las reacciones:

C 2 H 4  H 2O  C 2 H 5OH N 2  3H 2  2NH 3 Ambos transcurren con disminución en el número de moles y por esta razón se utilizan presiones elevadas para obtener conversiones de equilibrio satisfactorias.

Así pues en aquellos casos en que la reversibilidad de una reacción provoca una limitación importante, ha de calcularse la conversión de equilibrio de forma que puede elegirse las

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condiciones de trabajo más ventajosas en el reactor.

3.9. Proceso de fabricación de estireno por deshidratación de etilbenceno.

Un estudio del diseño de este proceso es además muy instructivo, al demostrar como las características básicas de la reacción, es decir, equilibrio, cinético y eliminación de productos laterales, pueden satisfacerse de forma bastante inteligente empleando vapor de agua como diluyente.

Supongamos que se trata de investigar a partir de las leyes básicas de deshidrogenisacion de etilbenceno, que es un proceso bien conocido para la obtención de estireno:

C6 H 5 * CH 2 * CH 3  C6 H 5 * CH : CH 2  H 2 Se dispone de un catalizador que permite obtener una velocidad de reacción adecuada a 560°C. A esta temperatura, la constante de equilibrio para la reacción es:

PEs * PH  K P  100 mbar PEt

(1.1)

Siendo PEt, PEs y PH las presiones parciales de etilbenceno, estireno e hidrogeno respectivamente.

Parte (i). Este cálculo requiere no solo el uso de la constante de equilibrio, sino también un balance de materia del reactor. Para evitar confusiones es conveniente plantear el balance de materia con toda claridad, incluso en este caso relativamente sencillo.

Solución: En primer lugar es necesario elegir una base de cálculo, que se puede considerar como 1 mol-g de etilbenceno que entra al reactor: en el equilibrio se convierte una fracción α e del mismo. De acuerdo con la ecuación estequiometrica anterior se formaran αe moles-g de estireno y αe moles-g de hidrogeno, permaneciendo sin convertir ( 1 - αe ) moles-g de etilbenceno. Sea la presión total a la salida del reactor P, que supondremos después igual a 1 Bar.

C6 H 5 * C2 H 5  Reactor  C6 H 5 * C2 H 5 C6 H 5 * C 2 H 3 H2 Temperatura 560 C = 833 K 5

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Presión P (1 bar = 1 * 10 N/m )

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ENTRA

SALE

moles

a moles

C6 H 5 * C 2 H 5

1

1 - αe

C6 H 5 * C 2 H 3

-

αe

H2

-

αe Total

b moles

1 - e 1  e

e 1  e e 1  e

c moles

1 - e P 1  e

e P 1  e e P 1  e

1 + αe

Por cada mol de etilbenceno que entra en el reactor, el número total de moles aumenta a 1 + αe y la fracciones molares de las distintas especies en la mezcla, a la salida del reactor, se indican en la columna b. Para una presión total P, las presiones parciales se indicas en la columna c (suponiendo un comportamiento de gas ideal). Si la mezcla de reacción esta en equilibrio, las presiones parciales indicadas han de satisfacer la ecuación 1.1:

e e P P PEs * PH (1   e ) (1   e )  e2 KP    P 2 (1   e ) PEt (1   ) e P (1   e ) Es decir:

 e2 P  1 * 104 N/m 3 1   e2

(1.2)

Así pues, cuando P = 1 bar, αe = 0.30, es decir la conversión máxima posible empleando etilbenceno puro a 1 bar es solamente de un 30%, lo cual no es muy satisfactorio (aunque es posible en algunos procesos operar a presiones bajas, separando y reciclando los reaccionantes). Se indicaran a continuación algunos métodos para mejorar este valor. Ha de notarse que en la ecuación 1.2 se observa que α e aumenta cuando P disminuya, lo cual no es más que la expresión cuantitativa del principio de Le Chatelier, ya que al aumentar el número de moles en la reacción , se favorece la descomposición de etilbenceno disminuyendo la presiones subatmosfericas. Una ellas es que cualquier entrada de aire atreves de algún poro podría provocar la ignición. Una solución mejor, manteniendo al mismo tiempo la presión total ligeramente en exceso sobre la atmosférica. El gas inerte más adecuado para este proceso es el vapor de agua, entre otras razones porque puede condensarse fácilmente, en comparación con un gas como el nitrógeno que originaria mayores problemas de separación.

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Parte (ii). Alimentación formada por etilbenceno y vapor de agua: Si la alimentación al proceso está formado por etilbenceno diluido con vapor de agua, en la relación 15 moles/ 1 mol de ´

etilbenceno, determínese la nueva conversión en equilibrio α e. Solución: Se plantea de nuevo el balance global de materia sobre la base de 1 mol de etilbenceno que entra al reactor.

C 6 H 5 * C 2 H 5  Reactor  C6 H 5 * C 2 H 5 H 2O

C6 H 5 * C2 H 3 H2 H 2O

Temperatura 560°C = 833 K 5

2

Presión P (1 bar = 1*10 N/m )

ENTRA

SALE a moles

moles

C6 H 5 * C 2 H 5

C6 H 5 * C 2 H 3

´

1

1–αe

-

´

αe

´

H2

-

αe

H2O

15

15 Total

 e´

b moles

1 -  ´e

16   ´e

´

c moles

1 -  ´e

16   ´e

´

e

e

16   e

16   ´e

´

´

´

e

e

16   e ´

16   ´e

P P P

15 ´e 16   ´e

´

16 + α e

 e´

P P PSt * PH  e´2 (16   e´ ) (16   e´ ) KP    P (1   e´ ) PEt (16   e´ )(1   e´ ) P (16   e´ ) Es decir:

 e´2 P  1 * 10- 4 N/m3 (16   e´ )(1   e´ )

(1.3)

´

Por lo tanto cuando P = 1 bar, α e = 0.70 es decir, la conversión máxima posible ha aumentado al 70%. De la ecuación 1.3 se deduce que la conversión de equilibrio aumenta al hacerlo la

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relación vapor carga de agua a etilbenceno. Sin embargo, a medida que se utiliza al hacerlo más vapor de agua su coste aumenta y no compensa el aumento en la conversión de etilbenceno. La relación óptima vapor de agua a etilbenceno ha de determinarse por un balance económico.

Parte (iii). Selección final de las condiciones de reacción en el proceso de obtención de estireno.

Solución. El empleo de vapor de agua en el proceso de fabricación de estireno tiene además otra ventaja. La más importante de ellas es que actúa como una fuente interna de suministro de calor, de forma que el reactor puede operar adiabáticamente. La reacción de deshidratación es fuertemente endotérmico, siendo el calor de reacción a 560°C (-∆H) = -125 Kj/Kmol. Resulta instructivo estudiar con detalle las condiciones que se ensayaron originalmente para este proceso (figura 5). La mayor parte del vapor de agua, un 90% del total que se emplea, se calienta separando de la corriente de etilbenceno y a una temperatura más elevada (710°C) que se requiere a la entrada del reactor.

Figura 5. Un proceso para la obtención de estireno a partir de etilbenceno empleando 15 moles de vapor de agua / 1 mol de etilbenceno. Presión de operación 1 bar. Conversión por paso 0.40. Rendimiento relativo global 0.90.

El etilbenceno se calienta en los cambiadores de calor hasta 520°C y se mezcla después rápidamente con el vapor de agua más caliente, obteniéndose una temperatura de 630°C a la entrada del lecho catalítico. Si el etilbenceno se calentase más lentamente hasta 630°C por intercambio de calor, tiende a producirse descomposición y carbonización de las superficies de transmisión de calor. Los tubos del cambiador de calor tendrían que fabricarse, por esta causa, de una aleación más costosa de forma de resistir las severas condiciones de trabajo. Con el fin de tratar de evitar la carbonización se hace pasar 10% del vapor de agua empleada, juntamente con etilbenceno, atreves de un cambiador de calor. La presencia de una proporción

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elevad de vapor de agua en el reactor evita asimismo la deposición de coque sobre el catalizador. Examinado la constante de equilibrio de las reacciones en que interviene el carbón:

C 6 H 5 * CH 2 * CH 3  8C  5H 2 C  H 2 O  CO  H 2 Puede demostrarse que la formación de coque no es posible para relaciones elevadas vapor de agua/benceno.

El proceso de obtención de estireno opera con una conversión de etilbenceno de .040 por paso, en comparación con la conversión de equilibrio de 0.70. La conversión real de 0.40 está determinada por la velocidad de reacción sobre el catalizador, a la temperatura que predomina en el reactor. (La operación adiabática se caracteriza porque la temperatura disminuye al aumentar la conversión y la reacción tiende a pararse a la salida.) El etilbenceno que no reacción se separa y recicla al reactor. El rendimiento global del proceso, es decir, moles de etilbenceno que se transforma en estireno por mol de etilbenceno que se suministra, es igual a 0.90, consumiéndose el .010 restante en reacciones laterales no deseadas.

Ha de notarse que la conversión por paso podría incrementar aumentando la temperatura a la entrada del lecho catalítico a más de 630°C, pero aumentarían las reacciones y disminuiría el rendimiento global del proceso. El valor de 630°C para la temperatura de entrada se determina, por lo tanto, mediante un balance económico entre el coste de separación del etilbenceno que no ha reaccionado (que es elevado si la temperatura y conversión por paso son bajas) y el coste del etilbenceno consumido en reacción lateral innecesarias (que se elevado si la temperatura es elevada).

3.10. Elección definitiva de las condiciones del reactor.

El empleo de vapor de agua en el proceso descrito de fabricación de estireno e sun ejemplo de cómo el ingeniero ha de emplear un cierto grado de ingenio en el diseño del reactor. Las ventajas que proporción el vapor de agua pueden resumir en la forma siguiente: a) Disminuye la presión parcial del etilbenceno sin necesidad de operar a presiones por debajo de la atmosférica. b) Suministra una fuente interna de calor que hace posible la operación adiabática, al ser el calor de reacción endotérmica. c) Evita la formación de coque sobre el catalizador y los problemas de carbonización en los calentadores de etilbenceno. Como se observa en el proceso de fabricación de estireno, no es posible, generalmente, que el reactor opere con una conversión por paso igual a la conversión de equilibrio. La velocidad de una reacción química disminuya a medida que se aproxima al equilibrio, de forma que la

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conversión de equilibrio solo puede alcanzar si el reactor es muy grande o la reacción es extremadamente rápida. El tamaño de reactor necesario para obtener una conversión máxima, predicha por la constante de equilibrio, se calcula a partir de la cinética de la reacción.

Si intervienen dos o más reaccionantes en la reacción, ambos pueden convertirse completamente en uno solo paso únicamente si se alimenta al reactor en proporciones estequiometrias. En muchos casos, la relación estequiometria del reaccionantes es mucho más barato que el otro (especialmente agua o aire), puede ser ventajoso, desde el punto de vista económico, utilizar en exceso. Para un tamaño de reactor determinado, el objetivo es aumentar la conversión de la fracción convertida del reaccionante más barato.

Por último, la elección final de la temperatura, presión, relación de reaccionantes y conversión a la que ha de operar el reactor depende de la evaluación económica global del proceso. Ha de tener en cuenta en la misma los costes de reaccionantes, los costes de separación de los productos y los costes correspondientes a las corrientes de recirculación. Han de incluir los diversos tipos de coste de operación, conversión final y tamaño del reactor, que pueden realizarse con ayuda de un ordenador, siempre que se disponga de datos. Aunque puede existir toda una serie de condiciones técnicas factibles, ha de elegirse aquella que proporcione el beneficio máximo par ale proyecto considerado globalmente.

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4. CONCLUSIONES. 

Dentro de los principales tipo de reactores están los: reactor tubular, Tanque con agitación continua, Reactor de lecho fluidizado, Reactor de lecho fijo, Reactor de lecho con escurrimiento, Reactor de lecho de carga móvil, Reactor de burbujas, Reactor con combustible en suspensión, Reactor de mezcla perfecta, Reactores de recirculación, Reactores de membrana, Fermentadores. Para la determinación de qué reactor se puede usar se debe tomar en cuanto el proceso donde se desea incorporar y las condición del procesos.



Dentro de los diferentes tipos de reactores, vamos a tomar en cuenta estos cuatro tipos de reactores que nos ayudara a tener unos mejores criterios de selección según el proceso donde se desee incorporarlos. Los Reactores más usado en la industria química son; reactor de flujo pistón o tubular “plug flow” (PFR) o reactores de tanque continuamente agitado (CSTR , los reactores discontinuos y semi discontinuo. Estos criterio de selección se pueden observa en el presente cuadro. PFR

CSTR

Discontinuo

Semi-Discontinuo

La agitación suministrada una herramienta de seguridad.

Velocidad de adición controlable. La agitación suministra una herramienta de seguridad. Gran exotérmica controlable.

Ventajas Bajo Inventario. Condiciones estacionarias.

Condiciones estacionarias. La agitación suministra una herramienta de seguridad. El flujo puede se diluido para ralentizar la reacción.

Desventajas Dependencia del proceso. Posibles puntos calientes. Agitación presente solo si son disponibles mezcla en línea. Difícil de diseñar.

Gran inventario. Difícil de enfriar grades masas. Difícil empezar y detener. Problemas de precipitación. Bajo rendimiento.

Grandes exotérmicas difícil de controlar. Grandes inventarios. Todos los materiales.

La temperatura de inicio es critica (si es muy baja, se acumulan reactivos). Problemas de precipitación.

Todos estos criterios no ayudan a evitar reacciones peligrosas o descontrol de una determinada reacción.

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

Según la reacción que conlleve un determinado proceso, se debe tomar en cuenta la energía que genera la reacción y el calor que es expulsado por dicha reacción. Para esto se debe tomar en cuenta si la reacción es muy exotérmica, si es así se puede introducir intercambiadores de calor al proceso, o camisas o serpentines en el reactor donde estos no ayudan a tener un mejor control de la reacción y así evitamos que se arruine el proceso. Hay que tomar en cuenta que como todo proceso se puede determinar el comportamiento de las reacción para ayudarnos a entender mejor con se comporta dicha reacción tenemos a la termodinámica con el equilibrio químico y la cinética química.

5. BIBLIOGRAFÍA.

1. Jesús M. Santamaría y Javier Herguido, Ingeniería de reactores, Editorial Síntesis 2002. 2. J.M. Coulson y J.F. Richardson, Diseño de reactores químicos Tomo III, Editorial Reverte S.A., 1984. 3. H. Scott Folgler, Elements of Chemical Reacction Enegineering Third Edition, PrenticeHall International editions,1999 4. Dr. Rogelio Cuvas García, Introducción a los Reactores Químicos. 5. Denbing K.G., Introduccion a la teoría de los reactores químicos, 1990. 6. Henry Mendiburu Diaz, Reactores químicos.

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