reactor químico

El tipo de reactor más simple es el reactor discontinuo. Los materiales se introducen en un reactor discontinuo y la reacción se produce con el tiempo. Un reactor discontinuo no alcanza un estado estacionario, por lo que a menudo es necesario controlar la temperatura, la presión y el volumen. Por consiguiente, muchos reactores discontinuos disponen de puertos para sensores y para la entrada y salida de materiales. Los reactores discontinuos se utilizan normalmente en la producción a pequeña escala y en reacciones con materiales biológicos, como en la elaboración de cerveza, la producción de pulpa y la producción de enzimas. Un ejemplo de reactor discontinuo es un reactor a presión .

En un reactor CSTR, uno o más reactivos fluidos se introducen en un reactor de tanque que normalmente se agita con un impulsor para asegurar una mezcla adecuada de los reactivos mientras se elimina el efluente del reactor. Al dividir el volumen del tanque por el caudal volumétrico promedio que lo atraviesa, se obtiene el tiempo de residencia , o el tiempo necesario para procesar un volumen de fluido del reactor. Mediante la cinética química , se puede calcular el porcentaje de finalización esperado de la reacción . Algunos aspectos importantes del CSTR:

• En estado estacionario, el caudal másico de entrada debe ser igual al de salida; de lo contrario, el tanque se desbordará o se vaciará (estado transitorio). Mientras el reactor se encuentra en estado transitorio, la ecuación del modelo debe derivarse de los balances diferenciales de masa y energía.
• La reacción se produce a la velocidad de reacción asociada con la concentración final (de salida), ya que se supone que la concentración es homogénea en todo el reactor.
• A menudo, resulta económicamente ventajoso operar varios reactores CSTR en serie. Esto permite, por ejemplo, que el primer reactor CSTR opere con una mayor concentración de reactivos y, por lo tanto, con una mayor velocidad de reacción. En estos casos, se puede variar el tamaño de los reactores para minimizar la inversión total necesaria para implementar el proceso.
• Se puede demostrar que un número infinito de CSTR infinitesimalmente pequeños que operan en serie serían equivalentes a un PFR. ^{[ 9 ]}

El comportamiento de un reactor CSTR se suele aproximar o modelar mediante el de un reactor de tanque agitado continuo ideal (CISTR). Todos los cálculos realizados con CISTR asumen una mezcla perfecta . Si el tiempo de residencia es de 5 a 10 veces mayor que el tiempo de mezcla, esta aproximación se considera válida para fines de ingeniería. El modelo CISTR se utiliza a menudo para simplificar los cálculos de ingeniería y puede emplearse para describir reactores de investigación. En la práctica, solo se puede aproximar, sobre todo en reactores de tamaño industrial donde el tiempo de mezcla puede ser muy prolongado.

Un reactor de bucle es un tipo de reactor catalítico híbrido que se asemeja físicamente a un reactor tubular, pero funciona como un CSTR. La mezcla de reacción circula en un bucle de tubos, rodeado por una camisa para enfriamiento o calentamiento, y hay un flujo continuo de materia prima de entrada y producto de salida.

En un reactor de flujo pistón (PFR), a veces llamado reactor tubular continuo (CTR), ^{[ 10 ]} uno o más reactivos fluidos se bombean a través de una tubería o tubo. La reacción química se produce a medida que los reactivos se desplazan por el PFR. En este tipo de reactor, la velocidad de reacción variable crea un gradiente con respecto a la distancia recorrida; en la entrada del PFR la velocidad es muy alta, pero a medida que disminuyen las concentraciones de los reactivos y aumenta la concentración del o los productos, la velocidad de reacción disminuye. Algunos aspectos importantes del PFR:

• El modelo PFR idealizado supone que no hay mezcla axial: ningún elemento de fluido que viaja a través del reactor se mezcla con el fluido que se encuentra aguas arriba o aguas abajo del mismo, como lo implica el término " flujo pistón ".
• Los reactivos pueden introducirse en el reactor de flujo pistón (PFR) en puntos distintos a la entrada. De esta forma, se puede lograr una mayor eficiencia o reducir el tamaño y el coste del PFR.
• Un reactor de flujo pistón (PFR) tiene una eficiencia teórica mayor que un reactor de tanque agitado continuo (CSTR) del mismo volumen. Es decir, con el mismo tiempo de residencia (o espacio-tiempo), una reacción alcanzará un mayor porcentaje de finalización en un PFR que en un CSTR. Sin embargo, esto no siempre se cumple para las reacciones reversibles.

Para la mayoría de las reacciones químicas de interés industrial, es imposible que la reacción se complete al 100%. La velocidad de reacción disminuye a medida que se consumen los reactivos hasta que el sistema alcanza el equilibrio dinámico (no se produce ninguna reacción neta ni cambio en las especies químicas). El punto de equilibrio para la mayoría de los sistemas es inferior al 100%. Por esta razón, a menudo se aplica un proceso de separación, como la destilación , después de un reactor químico para separar los reactivos o subproductos restantes del producto deseado. Estos reactivos a veces se pueden reutilizar al inicio del proceso, como en el proceso Haber . En algunos casos, se necesitarían reactores muy grandes para alcanzar el equilibrio, y los ingenieros químicos podrían optar por separar la mezcla parcialmente reaccionada y reciclar los reactivos sobrantes.

En condiciones de flujo laminar , la suposición de flujo pistón resulta muy imprecisa, ya que el fluido que circula por el centro del tubo se mueve mucho más rápido que el que se encuentra en la pared. El reactor oscilante continuo con deflectores (COBR) logra una mezcla completa mediante la combinación de la oscilación del fluido y los deflectores de orificio, lo que permite aproximar el flujo pistón a las condiciones de flujo laminar .

Un reactor semicontinuo funciona con entradas y salidas tanto continuas como discontinuas. Un fermentador, por ejemplo, se carga con un lote de medio de cultivo y microorganismos que produce dióxido de carbono de forma constante, el cual debe eliminarse continuamente. De manera similar, la reacción de un gas con un líquido suele ser difícil, ya que se requiere un gran volumen de gas para reaccionar con una masa igual de líquido. Para superar este problema, se puede burbujear un flujo continuo de gas a través de un lote de líquido. En general, en la operación semicontinua, se carga un reactivo químico en el reactor y se añade lentamente un segundo reactivo (por ejemplo, para evitar reacciones secundarias ), o bien se elimina continuamente un producto resultante de un cambio de fase, como un gas formado por la reacción, un sólido que precipita o un producto hidrofóbico que se forma en una solución acuosa.

Aunque los reactores catalíticos suelen implementarse como reactores de flujo pistón, su análisis requiere un tratamiento más complejo. La velocidad de una reacción catalítica es proporcional a la cantidad de catalizador con la que entran en contacto los reactivos, así como a la concentración de estos. Con un catalizador en fase sólida y reactivos en fase fluida, esta relación depende del área expuesta, la eficiencia de difusión de los reactivos y la salida de los productos, y la eficacia de la mezcla. Generalmente, no se puede asumir una mezcla perfecta. Además, una reacción catalítica suele desarrollarse en múltiples etapas con intermedios unidos químicamente al catalizador; y dado que esta unión química al catalizador también es una reacción química, puede afectar la cinética. Las reacciones catalíticas suelen presentar la denominada cinética falsificada , cuando la cinética aparente difiere de la cinética química real debido a efectos de transporte físico.

El comportamiento del catalizador también es un factor a considerar. Particularmente en los procesos petroquímicos de alta temperatura, los catalizadores se desactivan por procesos como la sinterización , la coquización y el envenenamiento .

Un ejemplo común de reactor catalítico es el convertidor catalítico que procesa los componentes tóxicos de los gases de escape de los automóviles. Sin embargo, la mayoría de los reactores petroquímicos son catalíticos y son responsables de la mayor parte de la producción química industrial, con ejemplos de altísimo volumen como el ácido sulfúrico , el amoníaco , el reformado/ BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) y el craqueo catalítico fluidizado . Son posibles diversas configuraciones; véase Reactor catalítico heterogéneo .