De la probeta al reactor (químico o biológico)

Primeros pasos

Cuándo se detectan en la naturaleza sustancias o compuestos de alto valor añadido de una determinada complejidad estructural y, que podrían satisfacer una necesidad en el mercado, tanto presente como futura, habitualmente se plantea la duda entre si resulta más rentable el obtener estas sustancias por síntesis química u obtenerla mediante el cultivo / cría del organismo que la produce, ya sea de origen animal  o vegetal.

Existen bases de datos donde se puede consultar si este compuesto ya sido catalogado, sus propiedades físico-químicas, procedencia, cinética, farmacología u otras propiedades que podrían ser de interés para el objetivo del proyecto. 

Habitualmente, los compuestos tipo inorgánico tienen estructuras relativamente simples y que se pueden obtener mediante rutas de síntesis químicas de unos pocos pasos. 

Por otro lado, la gran mayoría de compuestos presentes en la naturaleza de tipo orgánico, ya bien sea como constituyente de un organismo o como parte de su metabolismo (metabolito), suelen ser moléculas de alta complejidad estructural que requieren de vías de síntesis con un gran número de pasos y requerimientos muy elevados en cuanto a la pureza de los reactivos, lo que encarece el proceso y lo torna menos viable desde un punto de vista económico; con el añadido de los gastos y daños colaterales sobre el medio ambiente. 

Un ejemplo de la situación anteriormente descrita, en cuanto a necesidades de mercado a cubrir, sería el de la ingente cantidad de tensioactivos que se prevé será necesario obtener, ya bien sea mediante procesos químicos o bioquímicos, para hacer frente a la demanda creciente en sectores tales como el de la higiene alimentaria,el farmacéutico, el de tratamiento de efluentes residuales, etc.  fruto del aumento de la población mundial y del, en ocasiones exponencial ritmo de consumo del mercado, pero que a la vez deberán mostrar propiedades mejores que las actuales, fundamentalmente respecto a su estabilidad medioambiental, siendo los valores actualmente existentes, demasiado elevados para que un aumento en su uso, no provoqué problemas de toxicidad en el medio ambiente, donde en muchas ocasiones, más de las deseadas, acaban por ser vertido debido a motivos de diversa índole, se acumulan en los ecosistemas y en la gran mayoría de casos entran en la cadena alimentaria humana.

Otro ejemplo, que además está a la orden del día, es el de la necesidad de un material que permita sustituir el actual plástico, cuya materia prima proviene de procesos de destilación del petróleo en las instalaciones petroquímicas. Este nuevo material, por si aún lo estás dudando, son los bioplásticos que se pueden obtener a partir de la actividad fermentativa de determinadas especies de bacteria, como por ejemplo los PHA (polihidroxialcanoatos). Estos plásticos presentan propiedades muy interesantes de biodegradabilidad, sin perder las propiedades mecánicas, incluso mejorandolas en algunos casos, que presentan los plásticos tradicionales. Algunas empresas como Neuron BioIndustrial llevan están llevando desde hace años ingentes estudios y proyectos de I+D+i para desarrollar a nivel industrial un proceso de fermentación para la obtención de bioplásticos, registrando ya en el año 2011 la marca TriBioPlast ®.

Del despacho al laboratorio
El primer paso recomendable si se pretende llevar un proceso a escala industrial de algún compuesto de alto valor añadido como los mencionados, es el estudiar la cinética de la reacción que se produce, ya bien sea de tipo químico (con o sin catalizador) o bioquímico (mediante enzimas o microorganismos).

Es necesario planificar adecuadamente los experimentos que se van a llevar a cabo para obtener información válida que nos permita modelizar a partir de las ecuaciones descritas en el módulo Métodos generales de diseño de reactores y cambio de escala.

Podemos extraer la cinética de los resultados obtenidos al llevar a cabo la reacción en condiciones tales que ningún fenómeno de transporte sea controlable sino que sea la propia reacción química la velocidad global observada. Esto resulta útil para obtener información sobre el potencial que presenta la reacción. y se realiza mediante experimentos a pequeña escala de laboratorio o planta piloto en la que el modelo de flujo elegido es el de mezcla perfecta en régimen discontinuo como primera aproximación.

El motivo fundamental es porqué en el modelo de mezcla perfecta, tal y como se explica en el módulo Métodos generales de diseño de reactores y cambio de escala, es un modelo en el que la mezcla de los componentes es perfecta en cualquier instante por lo que la transferencia de materia no sería una etapa limitante. Además esta homogeneïdad y agitación favorecen enormemente la transferencia de energía, no siendo tampoco una etapa limitante de la velocidad del proceso.

En las reacciones catalizadas donde los reactivos han de difundir a través del poro del sólido, es recomendable también tener en cuenta la configuración estructural del material empleado, dado que en las pruebas a escala de laboratorio es probable que se emplee una versión pulverizada del catalizador que finalmente se va a emplear o que durante los experimentos padezcan desgaste mecánico si se utilizan tamaños de partícula mayores y/o saturación de poros por colapso, debido a las fuerzas de cizalla por la agitación de la mezcla de reacción.

Imagen 1. Transferencias de materia en una reacción catalizada. 

Si finalmente el modelo de flujo que se vaya a emplear es el de mezcla perfecta, además de la resistencia química, habrá que tener en cuenta la resistencia mecánica para evitar el desgaste mencionado y la pérdida de finos que causaría, no solo una reducción de superficie activa, entre otros problemas, sino también una posible contaminación del producto.

Complementariamente y a partir del análisis de los resultados se puede determinar si algún producto de la reacción actúa como inhibidor, pues se observará un descenso en la velocidad de reacción y la conveniencia de separarlo durante el proceso. La técnica por excelencia para determinar la presencia y cuantificar compuestos en proceso de obtención de compuestos de alto valor añadido es el HPLC (y cada vez con más frecuencia el IR); sin embargo, si la molécula es un nuevo compuesto no presente en BBDD y se desconoce su estructura, primero habrá que resolverla y posteriormente desarrollar un método específico de detección y cuantificación.

Es sumamente importante monitorizar el proceso y registrar todas aquellas variables de proceso y parámetros de operación que obtenemos del sistema de reacción para poder realizar un análisis de la información y poder determinar puntos óptimos de operación con una determinada configuración y llevar a cabo una primera aproximación a las condiciones que deberemos poner a prueba en el salto de escala.

Del laboratorio a la escala industrial (reactores químicos y bioreactores)
Una vez definida la cinética de la reacción y conocida la influencia del modelo de flujo y de contacto óptimo determinado en el laboratorio llega el momento de dar el salto a una escala mayor.

En el módulo Métodos generales de diseño de reactores y cambio de escala puedes refrescar los conceptos habituales empleados en los procesos de cambio de escala y los métodos empleados habitualmente.


Esta sección se irá ampliando gradualmente a lo largo de la próxima semana.

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Modelos en ingeniería química. Niveles de descripción de los procesos mediante modelos.

Los conocimientos en Ingeniería Química, disciplina eminentemente práctica, deberán permitir la predicción de lo que sucederá en unas condiciones determinadas o de aquellas condiciones necesarias para que se produzcan determinados fenómenos (separaciones por destilación, precipitación, filtración, etc.).

Como ejemplo del primer caso puede considerarse el saber que si se desea transportar calor mediante agua a 150 ºC y a presión atmosférica, el agua estará en estado vapor. Como ejemplo del segundo caso, puede considerarse el saber que para llevar a ebullición agua, a presión atmosférica, debe alcanzarse una temperatura de 100 ºC.

En Ingeniería Química, las predicciones no siempre son tan fáciles de realizar como pueda parecer en estos ejemplos; a menudo, se debe recurrir a expresiones más o menos complejas para obtener el valor deseado. Estas expresiones interpretan el comportamiento del sistema a estudiar y pueden tener distintos grados de complejidad, incluso para obtener el valor de una misma variable.

Así, la temperatura a la que llega una determinada masa de agua (m) cuando se le suministra cierta cantidad de calor (Q) puede predecirse por aplicación de la siguiente ecuación.

Imagen 1. Ecuación para el cálculo del calor necesario para un incremento de temperatura.

Esta expresión representa la realidad (indica que la aplicación de calor produce una variación en la temperatura del sistema) y permite conocer con una cierta precisión la variación de temperatura provocada. De hecho, la ecuación de la imagen 1 es, simplemente, un modelo que intenta aproximarse a un comportamiento real; en este intento supone que el calor suministrado y el incremento de temperatura originado están relacionados por una constante de proporcionalidad, que es la capacidad calorífica a presión constante por unidad de masa.

La complejidad de los modelos aumenta con su nivel de aproximación a la realidad; por ejemplo, para conocer la temperatura final (Tf) del agua —inicialmente a Ti— con más precisión de la que ofrece la expresión de la ecuación de la imagen 1, se puede utilizar la ecuación siguiente:

Imagen 2. Ecuación para el cálculo del calor necesario para un incremento de temperatura.

Obviamente, el uso de esta ecuación puede llegar a ser mucho más complicado que el de la ecuación anterior, ya que requiere el conocimiento de la función Cp (T) en lugar de un valor promedio único de la misma . En otras palabras: el segundo modelo es más complejo, pero ofrece más precisión; mientras que el primero es más inexacto, pero proporciona el valor deseado en un tiempo menor. Esta comparación ya permite avanzar que el ingeniero químico deberá evaluar, en cada caso concreto, cual es el modelo más conveniente para representar la realidad.

La modelización ingenieril de sistemas reales conduce, frecuentemente, a un conjunto de ecuaciones que relacionan las distintas variables de un sistema. Este conjunto de ecuaciones conforma el modelo de comportamiento del sistema, y debe tenerse en cuenta que es el conjunto de suposiciones sobre el comportamiento de este sistema lo que conduce a las ecuaciones. Así, por ejemplo, el modelo representado por la ecuación de la imagen 1 se basa en suponer que el calor específico es constante en todo el intervalo de temperatura por el que pasa la sustancia a estudiar; lógicamente, al disminuir dicho intervalo se hace más verosímil la suposición.

Es importante tener en cuenta que modelo es todo aquello que intenta representar la realidad; de forma que, no sólo lo es aquel que contiene expresiones matemáticas, sino que los planos, los mapas o las maquetas también son modelos.

Actualmente, se tiende a conseguir modelos muy generales, cuya aplicación a muchos y variados sistemas proporcione buenas estimaciones; estos modelos generales se adaptan a cada sistema concreto por incorporación de sus particularidades. 

Es por ello que un vistazo rápido a este módulo puede conducir al error de juzgar extremadamente dificultoso el estudio de los fenómenos de transporte, especialmente al echar un vistazo a las ecuaciones de balance. 

Tales ecuaciones — ver imagen 3 — no deben asustar a nadie por su aparente complejidad, ya que son fruto de la elaboración de modelos globales; cuando estas ecuaciones se aplican a un sistema concreto, muchos de sus términos son conocidos o se anulan y las ecuaciones resultantes son menos aparatosas.

Imagen 3. Ecuaciones de balance microscópico de materia (a), energía (b) y cantidad de movimiento (c) en coordenadas cartesianas; densidad y difusividad consideradas constantes.

Según se basen en teorías sobre el comportamiento del sistema o en datos experimentales que describan su comportamiento, se puede distinguir entre modelos teóricos y modelos empíricos. 

Como ejemplo de los primeros puede citarse la teoría cinética de los gases; mientras que cualquier curva de solubilidad o de equilibrio líquido-vapor constituye un claro ejemplo de los segundos. La distinción entre ambos tipos de modelo no siempre es clara, ya que un mismo modelo puede englobar teorías y datos empíricos. 

Además de los modelos mencionados, existen los modelos analógicos que intentan asimilar un comportamiento real a otro previamente estudiado y modelizado; así, la conducción de calor puede considerarse análoga a la conducción de corriente eléctrica, de forma que un sistema eléctrico puede servir de modelo para un sistema que presente conducción de calor. 

Imagen 4. Analogía conducción térmica-eléctrica en serie.

En la práctica, todo modelo debe contrastarse con la realidad para que adquiera validez, y es este contraste el que enriquece al modelo y lo aproxima a la realidad; por ello, cualquier modelo necesita un largo tiempo de estudio y observación antes de ser validado.

Los modelos más utilizados en Ingeniería Química se han desarrollado para pronosticar el comportamiento de los procesos químicos. La predicción de este comportamiento suele realizarse mediante una serie de ecuaciones matemáticas, más o menos complejas, que relacionan las distintas variables del proceso. Gran parte de estas relaciones no son estrictamente ciertas, sino que son estimativas, pero su nivel de aproximación a la realidad puede ser muy elevado. De entre estas relaciones, pueden mencionarse las de equilibrio, las cinéticas o las estimaciones económicas y medioambientales. 

Otras relaciones sí son estrictamente ciertas para la mayoría de los procesos; éstas surgen de la aplicación de los principios de conservación. Aunque estas últimas relaciones, denominadas balances, pueden resumirse en una expresión general, su desarrollo es función de la profundidad con la que se desee estudiar el sistema. 

Es por ello que resulta conveniente clasificar los modelos según el nivel de descripción de la realidad que intentan conseguir. En este sentido, los modelos se clasifican en macroscópicos, microscópicos y atómico-moleculares. A continuación, se comentan brevemente los tres tipos de modelo.

A. Modelos Macroscópicos
Los modelos macroscópicos son aquellos que sólo aspiran a describir el sistema en cuanto a sus entradas y salidas. Estas entradas o salidas del sistema se entienden como cualquier efecto exterior al sistema que provoque la variación o la constancia del valor dela variable estudiada. La visión de un modelo macroscópico se puede esquematizar en la forma mostrada por la figura de la imagen 5.

Imagen 5. Modelo macroscópico de caja negra. 

El sistema se considera como una caja negra, con entradas y salidas, en cuyo interior se produce algún fenómeno cuantificable globalmente: una reacción química con un determinado rendimiento, la separación de un componente dado de una mezcla, la transferencia de cierta cantidad de calor, una caída de presión concreta, etc. 

También puede producirse la conjunción de varios fenómenos. Desde este punto de vista, si se puede saber qué ocurre globalmente en el sistema, sólo se requiere conocer la entrada o la salida para evaluar, respectivamente, la salida o la entrada; de igual forma, conocidas la entrada y la salida, se puede cuantificar el comportamiento global del fenómeno que tiene lugar dentro del sistema.

Lógicamente, si el estudio se efectúa a distintos tiempos, los modelos macroscópicos también permiten obtener información sobre la variación con el tiempo de las entradas, de las salidas o de las variables globales del sistema.

Desde la óptica ingenieril, es suficiente un conocimiento macroscópico de los sistemas; sin embargo, para cuantificar algunos fenómenos se necesita averiguar cómo suceden, lo que obliga a entrar en la caja negra y descubrir qué ocurre en su interior, por lo menos hasta un cierto nivel de descripción.

• Éste es el caso del ejemplo siguiente.

Supóngase la conducción de agua caliente que, partiendo de un calentador doméstico, acaba en un grifo abierto. Todo el sistema está inmerso en un ambiente cuya temperatura se puede considerar constante. En estas condiciones, un simple termómetro permite conocer las temperaturas de entrada y salida del agua; lógicamente, éstas no serán coincidentes porque a lo largo de la conducción se producen pérdidas de calor. Si se va a doblar la longitud de la conducción y se desea predecir la nueva temperatura de salida del agua, deberá conocerse como varía la temperatura del agua a lo largo de dicha conducción (su distribución de temperatura) ya que de su valor depende la cantidad de calor perdido en cada sección de la conducción.

El máximo contenido calorífico por unidad de masa de agua se encuentra justo a la salida del calentador, donde la temperatura del agua es mayor y, por lo tanto, en esta sección inicial de la conducción se tiene el máximo potencial de pérdida de calor. El avance del agua a través de la conducción conlleva una disminución de la temperatura del fluido — va perdiendo calor—, lo que aminora el potencial de pérdida de calor. De esta manera, la pérdida de calor y la temperatura del agua van disminuyendo a lo largo de la conducción.

Imagen 6. Capa cilíndrica. Perfil de temperatura.

Las temperaturas de entrada y salida de la conducción original permiten determinar un parámetro, el coeficiente de transferencia de calor, a través del cual se puede conocer la distribución de temperatura y, por lo tanto, la pérdida de calor al doblar la longitud de la conducción. La obtención de este coeficiente de transferencia pasa por una serie de consideraciones que no pueden efectuarse si la conducción se simplifica hasta convertirla en un punto (nivel de descripción macroscópico), sino que requiere conocer los fenómenos presentes en el interior de la conducción; es decir, un nivel de descripción más completo, más interno como el que se expone en la siguiente sección.

B. Modelos Microscópicos
Los modelos microscópicos son aquellos que pretenden describir el interior de un sistema considerando que la materia es continua —como los modelos macroscópicos—; de hecho, no distinguen átomos, moléculas o iones, sino pequeños volúmenes microscópicos contiguos como los mostrados en la figura de la imagen 7.

Imagen 7. Modelo microscópico.

En los modelos macroscópicos se considera el sistema como una caja (punto macroscópico) cuyas propiedades toman el valor promediado de todo lo existente en su interior; en los modelos microscópicos, esa caja se descompone en múltiples puntos físicos cuyas propiedades siguen promediándose, pero ahora en un volumen pequeñísimo. En realidad, se tiene una serie de cajas mucho más pequeñas (puntos microscópicos), el conjunto de las cuales forma el punto macroscópico. 

Evidentemente, la posición de cada uno de estos pequeños volúmenes tiene gran relevancia en los modelos microscópicos.

La descripción microscópica de sistemas, objetivo fundamental de este texto, supone el conocimiento de las funciones que siguen las variables dependientes que interesen (temperaturas, concentraciones, velocidades, etc.) con respecto a la posición y al tiempo (variables independientes). 

Dado que los modelos microscópicos consideran la materia continua, las propiedades de esta materia también deberán variar de forma continua con la posición (x, y, z) y, por supuesto, con el tiempo (t). 

La información proporcionada por los modelos macroscópicos y por los microscópicos presenta una notable diferencia: de los primeros se obtienen los valores de las variables de entrada, salida o globales del sistema, así como su posible variación con el tiempo; mientras que los segundos proporcionan variaciones de las variables, en el interior del sistema, con el tiempo y la posición, es decir, funciones. El conocimiento de lo que ocurre dentro del sistema puede no interesar por sí mismo, pero aquello que sucede en su interior puede afectar a las salidas, y esto sí que interesa conocerlo. 

El nivel microscópico de descripción puede permitir cuantificar qué pasaría en un sistema sin necesidad de experimentar en él, y amplía la capacidad de predicción a un mayor número de sistemas respecto de la utilización exclusiva del nivel de descripción macroscópico.

Las propiedades utilizadas en la descripción microscópica de un sistema, matemáticamente, corresponderían a las que tendría el material en una posición —en un punto (x, y, z)— de dicho sistema. Físicamente, no puede ser así; un punto matemático no tiene volumen y, por lo tanto, no puede tener materia, de manera que no se puede hablar de densidad, concentración u otras propiedades de la materia en un punto matemático.

En realidad, como ya se ha comentado, las propiedades evaluadas microscópicamente en un punto (x, y, z) se considera que corresponden al valor medio de tales propiedades para la materia contenida en un volumen alrededor de dicho punto matemático. Este volumen, conocido como elemento de volumen (la figura de la imagen 7 presenta seis de ellos), debe ser suficientemente pequeño para que la variación de las propiedades con la posición, dentro de él, no sea importante; pero, a su vez, debe ser suficientemente grande para que el número de moléculas o átomos sobre los que se promedia sea significativo. De hecho, si se pudiese y quisiese comprobar experimentalmente el valor de una variable, calculado matemáticamente para un punto de un sistema, se debería tomar una muestra de materia tan grande que permitiera la medición de la propiedad y tan pequeña que esta propiedad no variase en la muestra.

El punto más débil de los modelos microscópicos es la hipótesis de materia continua ya que algunos sistemas reales presentan cambios bruscos en los valores de las variables, lo que obligaría a considerar funciones discontinuas para describir microscópicamente la variación de aquellas. 

Piénsese, por ejemplo, en la evaporación de un líquido y el repentino descenso de la densidad con la posición al pasar de la fase líquida a la fase gas. 

En realidad, la variación de densidad en esta interfase ocurre, gradualmente, en un espesor muy pequeño —de unas pocas moléculas—. Como el nivel de descripción microscópico implica puntos físicos con una cantidad importante de moléculas para que los promedios de las propiedades sean significativos, no es posible describir microscópicamente la variación de la densidad en un espesor de tan pocas moléculas. 

Sin embargo, cada una de las dos fases puede modelizarse microscópicamente para obtener funciones continuas de variación de las variables con la posición y el tiempo.

Así pues, los modelos microscópicos se aplicarán a sistemas o subsistemas de una sola fase para evitar las discontinuidades; cuando un sistema presente más de una fase, se modelizará microscópicamente cada una de ellas por separado y, luego, los modelos resultantes se conectarán mediante relaciones de equilibrio o de velocidad.

Los modelos microscópicos proporcionan información general sobre la dependencia de unas variables concretas con el tiempo y la posición —funciones del tipo f(x, y, z, t)—.

Esta información debe adaptarse al sistema concreto a estudiar, lo que requiere conocer algunas de sus condiciones: las que se presentan en su principio y en su final, tanto espacial como temporalmente. Estas condiciones que tienen lugar en los límites del sistema son las denominadas condiciones límite. Los límites espaciales son las superficies físicas que confinan el volumen de todo el sistema al cual se aplica el modelo microscópico; normalmente las interfacies que separan una fase de otra. Los límites temporales son los valores de tiempo inicial y final del periodo considerado para el estudio del sistema. La descripción adecuada de un sistema requiere la inclusión, en el modelo, de estas condiciones que concurren en los límites espaciales, condiciones límite propiamente, y en un límite temporal, condición inicial.

Se puede pensar que las propiedades interesantes, desde el punto de vista ingenieril, son aquellas que se pueden medir; si se pueden medir, es decir, son perceptibles, es porque ejercen alguna influencia sobre el entorno, lo pueden afectar, y, por lo tanto, interesan. Ahora bien, cuando resulta necesario el conocimiento microscópico de un sistema porque las variaciones de las propiedades con la posición en su interior afectan a su salida, entonces debe tenerse muy en cuenta la posibilidad de que estas propiedades estén influidas, a su vez, por otras, analizables sólo a un nivel más interno de descripción que surge de admitir la discontinuidad de la materia. Esta nueva consideración incita al estudio de los sistemas bajo el enfoque atómico-molecular.

C. Modelos Atómico-moleculares
Los modelos atómico-moleculares son aquellos que consideran la materia formada por partículas discretas que interaccionan entre si, que se atraen o repelen dependiendo de la distancia que las separa. Esta característica es la que determina las propiedades de la materia; propiedades que se pueden medir como la densidad, la viscosidad o la temperatura. En estos modelos, el elemento de volumen utilizado por los modelos microscópicos se divide nuevamente hasta el punto de poder distinguir átomos, moléculas o iones (las partículas discretas que forman el sistema a modelizar).

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Referencias bibliográficas
[1] Montserrat Iborra, Javier Tejero. Reactores químicos.

[2] O. Levenspiel. Flujo de fluidos. Intercambio de calor. 

[3] Ricard Torres. Fenómenos de transporte.

Reactores químicos

J. Villermaux definió un reactor de la siguiente manera:

"un reactor es cualquier porción del espacio

donde la materia circula, se intercambia y se

transforma".

Más específicamente es

un aparato donde tienen lugar las 

reacciones con un objetivo principalmente de 

producción industrial.

Es núcleo del proceso químico en si y, representa como término medio, menos de un 10% de la inversión, ya que su comportamiento condiciona las operaciones de condicionamiento y separación.

Para implementar un reactor en un proceso hay que:

• Diseñarlo.
• Hacerlo construir.
• Mantenerlo en operación (alcanzar las condiciones de operación será tratado en un apartado específico).

En el diseño del reactor es necesario:

• Seleccionar el tipo.
• Dimensionar.
• Realizar el diseño o ingeniería de detalle.

1. Selección del tipo de reactor

La selección del tipo de reactor se realiza en vistas a:

• Maximizar el rendimiento material y energético de la planta. 

  1.1. Las características de la reacción (J. Villermaux). Las reacciones químicas varían radicalmente según el número de las fases presentes, el mecanismo de reacción (una o varias etapas), la existencia de equilibrios , los efectos térmicos y la sensibilidad a las condiciones físicas (presión, temperatura, agitación,...), así como, con la presencia en el medio de reacción de compuestos que alteran, normalmente acelerando, la velocidad de reacción; son las denominadas reacciones catalizadas, ya bien sea mediante el uso de enzimas (proteínas) u otros compuestos que catalizan la reacción como es el caso de algunos metales. (*)

(*) Se dedicará un módulo a las reacciones catalizadas y al diseño de catalizadores. 

Estas características imponen serias dificultades en el diseño del reactor, principalmente cuando se quiere preservar la seguridad y el medio ambiente y optimizar el rendimiento y los costes. Por ejemplo, si la reacción es exotérmica, es indispensable prever una refrigeración adecuada para evitar la aceleración incontrolada del reactor.

Tabla 1. Reacciones químicas: características principales y dificultades que imponen a los reactores.

 1.2. Aspectos técnicos (agresividad del medio, naturaleza de los materiales).

 1.3. Económicos (materiales disponibles en el mercado, producción, costes de la energía, etc.)

• Seleccionar el modo adecuado de poner en contacto las diversas fases y asegurar la transferencia entre dichas fases. La transferencia de materia y la transmisión de calor deben estar favorecidas o desfavorecidas según convenga.
• El tipo de reactor deberá obtener la máxima conversión en el caso de reacción única y máxima selectividad en el caso de reacciones múltiples.(**) 
• Las condiciones de operación deben estar optimizadas.
• La utilización óptima de la energía.

(**) Está documentado que una configuración adecuada del reactor y su modo de operación pueden incrementar notablemente la selectividad.

Así pues, escoger el reactor consiste básicamente en seleccionar:

• El modo de tratamiento de la carga (modo de operación).
• Evolución en el tiempo del contenido del reactor: régimen estacionario o no estacionario.
• Modelo de flujo.
• Puesta en contacto de las fases presentes.
• Selección de los materiales de construcción.
• Será necesario tener en cuenta los valores que alcanzan algunas variables de proceso claves desde el punto de vista de los materiales, tales como, temperatura, presión, acidez, salinidad, etc.

2. Dimensionado determinando el parámetro básico del equipo, que según el tipo de reacción puede ser:

• El volumen total (reacción homogénea).
• La masa de catalizador (reacción catalítica heterogénea).
• Altura de la columna (reacciones G / L).

3. Ingeniería de detalle

• Distribución de volumen (relación altura / diámetro) atendiendo a las pérdidas de cargas permisibles.
• Consumo de energía de agitación.
• Cálculo de transmisión de calor necesario.
• Aspectos de ingeniería civil como:
• Los requisitos de la plataforma donde se situa el reactor.
• Diseño de un sistema de evacuación de efluentes en caso de vertido o fuga.

Clasificación de los reactores

• El tipo de modelo de flujo: ideal al que tienden (mezcla perfecta, flujo en pistón) o real.
• Número de fases en contacto: homogénea (1 fase), heterogénea (2 fases = bifásica, 3 fases = trifásica, o multifásico).
• Modo de operación: continuo, semicontinuo o discontinuo.
• Evolución en el tiempo: régimen estacionario y régimen no estacionario.
• Tipo de reacción: catalítica, no catalítica, bioquímica, etc.

Tabla 2. Clasificación de reactores.

Introducción a los reactores ideales

Tal y como se ha indicado en la tabla 2, la salida del reactor es función de la entrada, el modelo de flujo, la cinética de la reacción y los parámetros de diseño, entre otras variables.

El modelo de contacto y de flujo es la forma en la que las sustancias fluyen y se ponen en contacto unas con otras, si se mezclan enseguida o no, si forman aglomerados de moléculas o no y, otros factores afecten al comportamiento del sistema.

La cinética es la rapidez con la que suceden los cambios de composición en el reactor. Si las reacciones de equilibrio son muy rápidas, los productos a la salida estarán en equilibrio. Si las reacciones no son tan rápidas, la velocidad de reacción, o la transferencia de materia y/o calor pueden determinar el comportamiento del reactor.

Un reactor se considera un reactor ideal si:

• Los reactantes están mezclados a la entrada del reactor, es decir, el tiempo de mezcla es cero y todo el volumen es útil para la reacción.
• No se forman agregados moleculares.
• Se sigue un modelo de flujo ideal.

Modelo de mezcla perfecta

• En un sistema discontinuo la mezcla del sistema es perfecta, por lo que en un instante dado la composición y temperatura en el sistema son uniformes, pero variables con el tiempo.
• En un sistema continuo la mezcla del sistema es perfecta con lo que las propiedades como la concentración y la temperatura de cualquier punto del sistema son las mismas y, por tanto iguales a las de la corriente de salida.

Modelo de flujo en pistón

• En un sistema continuo no hay ningún tipo de mezcla en la dirección del flujo, por lo que el fluido pasa sin mezclarse como si se moviera a lo largo del reactor impulsado por un pistón. Es decir, el perfil de velocidades es plano, lo cual sucede a números de Reynolds (Re) de tubo vació relativamente altos. Puesto que hay una mezcla completa en la dirección radial las propiedades del fluido en la sección son uniformes.

El modelo matemático para estos reactores ideales se desarrollará suponiendo que:

1. Se opera en régimen cinético, es decir, la velocidad de reacción es suficientemente "lenta" como para no alcanzar el equilibrio.
2. El control por parte de las transferencias de matería y energía son despreciables.

A. Reactor de mezcla perfecta en discontinuo

Imagen 1. Reactor MP en discontinuo.

A partir de la ecuación de BMM (Balance macroscópico de materia) del reactante limitante desarrollamos la ecuación de diseño del sistema.

Imagen 2. Desarrollo de la ecuación de diseño para reactores de mezcla perfecta en discontinuo.

Imagen 3. Perfil de concentración en un reactor de MP en discontinuo.

i. Volumen constante. Situación que suele encontrarse en muchos sistemas de reacción líquidos de densidad constante y para gases a presión constante con o sin cambio en el número de moles en la reacción.

Imagen 4. Desarrollo de la ecuación de diseño para reactores de mezcla perfecta en discontinuo con volumen constante.

Imagen 5. Interpretación gráfica de la ecuación de diseño para un reactor MP en discontinuo.

ii. Volumen variable de manera proporcional a la conversión. La mayoría de los sistemas de reacción en fase gas en lo que hay variación del número de moles por la reacción y/o presión variable y/o temperatura variable.

En un sistema discontinuo con reacción en fase gas, las concentraciones de los componentes se pueden expresar en función del volumen a través de la ecuación de estado P·V = z·n·R·T. Esta ecuación es válida para cualquier tiempo, de manera que Pº·Vº = zº · nº "·R·Tº para t=0 y P·V=z·n·R·T para t>0, En concreto, el cociente entre ambas expresiones proporciona la variación del volumen del sistema con la presión, temperatura y composición.

Por otro lado, si el número total de moles es:

Se tiene que:

Ecuación que combinada con la de la variación del volumen permite deducir que:

Para la mayoría de los sistemas gaseosos en los que la compresibilidad apenas varia con la presión y la temperatura, la expresión resulta:

En el caso de un reactor a presión y temperatura constantes la ecuación de diseño resulta ser:

Imagen 11. Ecuación de diseño para reactores de mezcla perfecta en discontinuo a presión y temperatura constantes.

En las reacciones en fase líquida, el efecto de los cambios en la presión total, aún si son relativamente grandes, sobre el volumen, y por tanto sobre la concentración, es insignificante. En consecuencia, podemos hacer caso omiso del efecto de la caída de presión sobre la velocidad de reacción al dimensionar los reactores en fase líquida.

En la ecuación de diseño de la imagen 7 aparece la velocidad intensiva de generación de A, la cual es función de la temperatura. Según el modo de operación del reactor sea isotérmico o adiabático, el balance de entalpía es distinto y se requiere con una finalidad diferente.

A.1. Régimen isotérmico.

En ciertas circunstancias es conveniente mantener el reactor en condiciones isotermas, ya sea la reacción exo o endotérmina ya que, en ausencia de control de la temperatura, ésta podría ser demasiado alta para la estabilidad del producto o demasiado baja para la velocidad de reacción. En caso de requerirse control de la temperatura se instalará un serpentín o una camisa de intercambio de calor.

En este caso, al trabajar con T = cnt en el reactor, el balance de entalpía se requiere para determinar el caudal de calor a eliminar en función del tiempo de operación.

El balance macroscópico de entalpía aplicado al sistema de reacción (el fluido reaccionante) con temperatura y composición uniforme, tiene la siguiente forma:

Puesto que el sistema es cerrado la expresión se simplifica a:

Así mismo, cuando el sistema es líquido o gas a presión constante el último término es nulo, para gas ideal es nulo y para gas a volumen constante es muy pequeño y por tanto despreciable, por lo que el BME resultante es:

Y si el sistema es isotermo y sin cambios de fase, el primer término de la ecuación anterior es nulo, por lo que el flujo de calor a retirar es el generado por la reacción.

Resultando que la relación entre el flujo de calor y la conversión, en el caso de una sola reacción, es:

Por lo que el calor total intercambiado será:

Dicho flujo de calor proviene de un intercambiador por el que circula un fluido con un caudal (w_c) y temperatura (T_c). Por tanto, del balance macroscópico de entalpía a dicho fluido se tiene que:

y de la ecuación de diseño del mismo se tiene que:

Como puede observarse las variables en el diseño del intercambiador de calor son: T_C1, A y w_c. Puesto que el reactor es discontinuo será necesario que uno o varias de dichas magnitudes sean variables con el tiempo.

A.2. Régimen adiabático

En este caso el balance de entalpía se requiere para encontrar la relación entre temperatura y conversión ya que la constante cinética depende de dicha temperatura. Retomando el balance macroscópico de entalpía en el que se considera Q = 0, en unidades másicas para que así la cantidad de materia, n, sea constante o en unidades molares si v = 0, y considerando que la capacidad calorífica del sistema es constante o bien tomando un valor medio de la misma, se tiene que para gases y líquidos a presión constante es válida la siguiente expresión:

Que en el caso particular de una sola reacción se simplifica a:

Combinando la definición de velocidad intensiva de la reacción, conversión porcentual de un componente, velocidad extensiva y caudal de generación, del balance microscópico de materia de A se tiene que:

Con lo que el balance de energía queda como:

De donde por integración y suponiendo la entalpía de la reacción constante respeto a la temperatura, se obtiene la expresión de una recta que es denominada adiabática de la reacción.

B. Reactor de mezcla perfecta en continuo 

Imagen 6. Reactor de MP en continuo.

A partir de la ecuación de BMM (Balance macroscópico de materia) del reactante limitante desarrollamos la ecuación de diseño del sistema.

Imagen 7. Desarrollo de la ecuación de diseño para reactores de mezcla perfecta en continuo.

Imagen 8. Interpretación gráfica de la ecuación de diseño para un reactor MP en continuo.

B.1. Régimen isotérmico.

Se define régimen isotermo en un reactor tanque agitado continuo de mezcla perfecta cuando existe intercambio de calor entre el sistema reaccionante y el entorno.

El balace macroscópico de entalpía para un reactor continuo tanque agitado en régimen estacionario y sin cambios de fase se reduce a:

Si sólo existe una entrada y una salida, si w1 = w2 en unidades molares y cp se supone constante:

Esta ecuación relaciona la temperatura de salida del fluido, y por tanto la del reactor, con el caudal de calor a eliminar del reactor. Si sólo se tiene una reacción la ecuación anterior se reduce a:

La cual junto con el balance macroscópico de materia y la conversión de A:

Proporciona la siguiente ecuación:

Como

 y 

son constantes (estado estacionario), la relación es lineal y formalmente análoga a la obtenida para un reactor discontinuo per representa "físicamente" un solo punto. Puesto que las unidades de son de temperatura en realidad la ecuación es:

B.2. Régimen adiabático

Esta sección se complementa con el módulo Métodos generales de diseño de reactores y cambio de escala.

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Referencias bibliográficas
[1] Montserrat Iborra, Javier Tejero. Reactores químicos.

[2] O. Levenspiel. Flujo de fluidos. Intercambio de calor.