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reactor semicontinuo

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reactor semicontinuo

En ingeniería química y biológica , los reactores semicontinuos (o de flujo semicontinuo) funcionan de manera muy similar a los reactores discontinuos, ya que se llevan a cabo en un único tanque agitado con equipos similares. [ 1 ] Sin embargo, se modifican para permitir la adición de reactivos y/o la eliminación de productos en el tiempo.

Un reactor discontinuo normal se llena con reactivos en un único tanque agitado a la vez.t=0{\displaystyle t=0}y la reacción continúa. Un reactor semicontinuo, sin embargo, permite el llenado parcial de reactivos con la flexibilidad de añadir más a medida que avanza el tiempo. La agitación en ambos tipos es muy eficiente, lo que permite que los reactores discontinuos y semicontinuos mantengan una composición y temperatura uniformes en todo momento.

Ventajas

La flexibilidad de agregar más reactivos con el tiempo mediante operación semicontinua tiene varias ventajas sobre un reactor discontinuo. Estas incluyen:

Selectividad mejorada de una reacción

En ocasiones, un reactivo determinado puede seguir rutas paralelas que dan lugar a dos productos diferentes, de los cuales solo uno es el deseado. Consideremos el siguiente ejemplo sencillo:

A→U (producto deseado) A→W (producto no deseado)

Las expresiones de velocidad, considerando la variabilidad del volumen de reacción, son:

VddoAdt+doAdVdt{\displaystyle V{\frac {dC_{A}}{dt}}+C_{A}{\frac {dV}{dt}}}=FA{\displaystyle F_{A}}-k1{\displaystyle k_{1}}doAα{\displaystyle C_{A}^{\alpha }}

VddoUdt+doUdVdt{\displaystyle V{\frac {dC_{U}}{dt}}+C_{U}{\frac {dV}{dt}}}=k1{\displaystyle k_{1}}doAα{\displaystyle C_{A}^{\alpha }}-FU{\displaystyle F_{U}}

VddoWdt+doWdVdt{\displaystyle V{\frac {dC_{W}}{dt}}+C_{W}{\frac {dV}{dt}}}=k2{\displaystyle k_{2}}doAβ{\displaystyle C_{A}^{\beta }}-FW{\displaystyle F_{W}}

DóndeFA{\displaystyle F_{A}}es la velocidad molar de adición del reactivo A. Nótese que la presencia de estos términos de adición, que podrían ser negativos en caso de eliminación de productos (por ejemplo, mediante destilación fraccionada ), son los que marcan la diferencia entre los casos de reactores semicontinuos y los casos de reactores discontinuos más simples. Para reactores discontinuos estándar (sin términos de adición), la selectividad del producto deseado se define como:

S =d(VdoU)d(VdoW){\displaystyle {\frac {d(VC_{U})}{d(VC_{W})}}}=k1k2doAα−β{\displaystyle {\frac {k_{1}}{k_{2}}}C_{A}^{\alpha -\beta }}

S =ddoUddoW{\displaystyle {\frac {dC_{U}}{dC_{W}}}}=k1k2doAα−β{\displaystyle {\frac {k_{1}}{k_{2}}}C_{A}^{\alpha -\beta }}para reacciones de volumen constante (es decir, por lotes).

Siβ>α{\displaystyle \beta >\alpha }La concentración del reactivo debe mantenerse baja para maximizar la selectividad. Esto se puede lograr utilizando un reactor semicontinuo.

Mejor control de las reacciones exotérmicas

Las reacciones exotérmicas liberan calor, y las que son altamente exotérmicas pueden generar problemas de seguridad. Los reactores semicontinuos permiten la adición lenta de reactivos para controlar el calor liberado y, por lo tanto, la temperatura en el reactor.

Eliminación del producto mediante un flujo de purga

Para minimizar la reversibilidad de una reacción, es necesario minimizar la concentración del producto. Esto se puede lograr en un reactor semicontinuo mediante el uso de una corriente de purga para eliminar los productos y aumentar la velocidad de reacción neta , favoreciendo así la reacción directa.

Elección del reactor

Es importante comprender que estas ventajas son más aplicables a la decisión de utilizar un reactor discontinuo, semicontinuo o continuo en un proceso determinado. Tanto los reactores discontinuos como los semicontinuos son más adecuados para reacciones en fase líquida y producción a pequeña escala, ya que generalmente requieren menores costos de capital que un reactor de tanque agitado continuo (CSTR), pero generan mayores costos unitarios si se necesita aumentar la producción. Estos costos unitarios incluyen mano de obra, manejo de materiales (llenado, vaciado, limpieza), medidas de protección y períodos improductivos derivados de los cambios de lote. Por lo tanto, es necesario sopesar los costos de capital frente a los costos operativos para determinar el diseño de reactor más adecuado.

Referencias

  1. ↑ "Reactores CSTR no estacionarios y reactores semicontinuos" . umich.edu . Consultado el 6 de septiembre de 2020 .

Fuentes

  • Hill, C. (1937). Introducción a la cinética de la ingeniería química y al diseño de reactores. John Wiley & Sons, Inc.
  • Grau, M.; Nougues, J.; Puigjaner, L. (2000). "Rendimiento de reactores discontinuos y semicontinuos para una reacción exotérmica". Chemical Engineering and Processing: Process Intensification . 39 (2): 141– 148. Bibcode : 2000CEPPI..39..141G . doi : 10.1016/S0255-2701(99)00015-X .
  • Heinzle, E. (s.f.). Reactor semicontinuo y seguridad. Recuperado de http://www.uni-saarland.de/fak8/heinzle/de/teaching/Technische_Chemie_I/HE3_Semi-Batch Reactor_Text.pdf
  • Wittrup, D. (2007). Comparación del tamaño de los reactores PFR y CSTR. Recuperado de http://ocw.mit.edu/courses/chemical-engineering/10-37-chemical-and-biological-reaction-engineering-spring-2007/lecture-notes/lec09_03072007_w.pdf