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.