Reactor químico

Un reactor químico es un volumen cerrado en el que tiene lugar una reacción química . ^{[1] [2] [3] [4]} En ingeniería química , generalmente se entiende como un recipiente de proceso utilizado para llevar a cabo una reacción química, ^{[5] que es una de las} operaciones unitarias clásicas en el análisis de procesos químicos. El diseño de un reactor químico se ocupa de múltiples aspectos de la ingeniería química . Los ingenieros químicos diseñan reactores para maximizar el valor actual neto para la reacción dada. Los diseñadores se aseguran de que la reacción proceda con la mayor eficiencia hacia el producto de salida deseado, produciendo el mayor rendimiento del producto mientras requiere la menor cantidad de dinero para comprar y operar. Los gastos operativos normales incluyen la entrada de energía, la eliminación de energía, los costos de la materia prima , la mano de obra, etc. Los cambios de energía pueden venir en forma de calentamiento o enfriamiento, bombeo para aumentar la presión, pérdida de presión por fricción o agitación.

La ingeniería de reacciones químicas es la rama de la ingeniería química que se ocupa de los reactores químicos y su diseño, especialmente mediante la aplicación de la cinética química a los sistemas industriales.

Los tipos básicos más comunes de reactores químicos son los tanques (donde los reactivos se mezclan en todo el volumen) y las tuberías o tubos (para reactores de flujo laminar y reactores de flujo pistón ).

Ambos tipos se pueden utilizar como reactores continuos o reactores discontinuos, y cualquiera de ellos puede alojar uno o más sólidos ( reactivos , catalizadores o materiales inertes), pero los reactivos y productos suelen ser fluidos (líquidos o gases). Los reactores en procesos continuos suelen funcionar en estado estable , mientras que los reactores en procesos discontinuos se operan necesariamente en un estado transitorio . Cuando un reactor se pone en funcionamiento, ya sea por primera vez o después de una parada, se encuentra en un estado transitorio y las variables clave del proceso cambian con el tiempo.

Hay tres modelos idealizados que se utilizan para estimar las variables de proceso más importantes de diferentes reactores químicos:

• Modelo de reactor discontinuo ,
• Modelo de reactor de tanque agitado continuo (CSTR), y
• Modelo de reactor de flujo pistón (PFR).

Muchos reactores del mundo real pueden modelarse como una combinación de estos tipos básicos.

Las variables clave del proceso incluyen:

• Tiempo de residencia (τ, tau griega minúscula)
• Volumen (V)
• Temperatura (T)
• Presión (P)
• Concentraciones de especies químicas (C ₁ , C ₂ , C ₃ , ... C _n )
• Coeficientes de transferencia de calor (h, U)

Un reactor tubular puede ser a menudo un reactor de lecho empacado . En este caso, el tubo o canal contiene partículas o pellets, normalmente un catalizador sólido . ^[6] Los reactivos, en fase líquida o gaseosa, se bombean a través del lecho catalizador. ^[7] Un reactor químico también puede ser un lecho fluidizado ; véase Reactor de lecho fluidizado .

Las reacciones químicas que ocurren en un reactor pueden ser exotérmicas , es decir, que desprenden calor, o endotérmicas , es decir, que absorben calor. Un reactor de tanque puede tener una camisa de enfriamiento o calentamiento o serpentines (tubos) de enfriamiento o calentamiento envueltos alrededor de la parte exterior de la pared de su recipiente para enfriar o calentar el contenido, mientras que los reactores tubulares pueden diseñarse como intercambiadores de calor si la reacción es fuertemente exotérmica , o como hornos si la reacción es fuertemente endotérmica . ^[8]

El tipo más simple de reactor es un reactor discontinuo. Los materiales se cargan en un reactor discontinuo y la reacción se lleva a cabo con el tiempo. Un reactor discontinuo no alcanza un estado estable y, a menudo, es necesario controlar la temperatura, la presión y el volumen. Por lo tanto, muchos reactores discontinuos tienen puertos para sensores y entrada y salida de material. 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 fabricación de pulpa y la producción de enzimas. Un ejemplo de un reactor discontinuo es un reactor de presión .

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

• En estado estacionario, el caudal másico que entra debe ser igual al caudal másico que sale, 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 desarrolla 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 beneficioso operar varios reactores de reacción en serie. Esto permite, por ejemplo, que el primer reactor de reacción en serie funcione con una concentración de reactivos más alta y, por lo tanto, con una velocidad de reacción más alta. En estos casos, se pueden variar los tamaños de los reactores para minimizar la inversión total de capital necesaria para implementar el proceso.
• Se puede demostrar que un número infinito de CSTR infinitamente pequeños operando en serie sería equivalente a un PFR. ^[9]

El comportamiento de un CSTR suele aproximarse o modelarse a partir del de un reactor de tanque agitado ideal continuo (CISTR). Todos los cálculos realizados con CISTR suponen una mezcla perfecta . Si el tiempo de residencia es de 5 a 10 veces 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 se puede utilizar para describir reactores de investigación. En la práctica, solo se puede aproximar, en particular en reactores de tamaño industrial en los que el tiempo de mezcla puede ser muy grande.

Un reactor de bucle es un tipo híbrido de reactor catalítico que se parece físicamente a un reactor tubular, pero funciona como un reactor de recuperación de calor central. La mezcla de reacción circula en un bucle de tubos, rodeada por una camisa para enfriar o calentar, y hay un flujo continuo de entrada de material de partida y salida de producto.

En un reactor tubular continuo (CTR), a veces llamado PFR, ^[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 viajan a través del PFR. En este tipo de reactor, la velocidad de reacción cambiante crea un gradiente con respecto a la distancia recorrida; en la entrada del PFR la velocidad es muy alta, pero a medida que las concentraciones de los reactivos disminuyen y la concentración del producto o productos aumenta, la velocidad de reacción se hace más lenta. Algunos aspectos importantes del PFR:

• El modelo PFR idealizado supone que no hay mezcla axial: cualquier elemento del fluido que viaja a través del reactor no se mezcla con el fluido que se encuentra aguas arriba o aguas abajo de éste, como lo implica el término " flujo tapón ".
• Los reactivos pueden introducirse en el reactor de filtración por puntos distintos de la entrada. De esta manera, se puede obtener una mayor eficiencia o se puede reducir el tamaño y el costo del reactor de filtración.
• Un reactor de reacción en cadena tiene una eficiencia teórica mayor que un reactor de reacción en cadena del mismo volumen. Es decir, dado el mismo espacio-tiempo (o tiempo de residencia), una reacción avanzará hasta un porcentaje de finalización mayor en un reactor de reacción en cadena que en un reactor de reacción en cadena. Esto no siempre es cierto para las reacciones reversibles.

En 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 el punto en que el sistema alcanza el equilibrio dinámico (no se produce una reacción neta ni un cambio en las especies químicas). El punto de equilibrio para la mayoría de los sistemas es inferior al 100 %. Por este motivo, un proceso de separación, como la destilación , suele seguir a un reactor químico para separar los reactivos o subproductos restantes del producto deseado. A veces, estos reactivos se pueden reutilizar al comienzo del proceso, como en el proceso Haber . En algunos casos, serían necesarios reactores muy grandes para alcanzar el equilibrio, y los ingenieros químicos pueden optar por separar la mezcla parcialmente reaccionada y reciclar los reactivos sobrantes.

En condiciones de flujo laminar , la suposición de flujo de tapón es muy imprecisa, ya que el fluido que viaja a través del centro del tubo se mueve mucho más rápido que el fluido en la pared. El reactor oscilatorio continuo con deflectores (COBR) logra una mezcla completa mediante la combinación de oscilación de fluido y deflectores de orificio, lo que permite aproximarse al flujo de tapón en 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 y microbios que produce constantemente dióxido de carbono que debe eliminarse continuamente. De manera similar, la reacción de un gas con un líquido suele ser difícil, porque se requiere un gran volumen de gas para reaccionar con una masa igual de líquido. Para superar este problema, se puede burbujear una alimentación continua de gas a través de un lote de un líquido. En general, en la operación semicontinuo, se carga un reactivo químico en el reactor y se agrega un segundo químico lentamente (por ejemplo, para evitar reacciones secundarias ), o se elimina continuamente un producto que resulta de un cambio de fase, por ejemplo, un gas formado por la reacción, un sólido que precipita o un producto hidrófobo que se forma en una solución acuosa.

Aunque los reactores catalíticos se implementan a menudo como reactores de flujo de tapón, su análisis requiere un tratamiento más complicado. 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 los reactivos. Con un catalizador de fase sólida y reactivos de fase fluida, esto es proporcional al área expuesta, la eficiencia de difusión de los reactivos hacia adentro y los productos hacia afuera, y la eficacia de la mezcla. Por lo general, no se puede asumir una mezcla perfecta. Además, una vía de reacción catalítica a menudo ocurre en múltiples pasos con intermediarios que están unidos químicamente al catalizador; y como la unión química al catalizador también es una reacción química, puede afectar la cinética. Las reacciones catalíticas a menudo muestran la llamada cinética falsificada , cuando la cinética aparente difiere de la cinética química real debido a los efectos del transporte físico.

El comportamiento del catalizador también es un factor a tener en cuenta. En particular, en los procesos petroquímicos de alta temperatura, los catalizadores se desactivan mediante procesos como la sinterización , la coquización y el envenenamiento .

Un ejemplo común de un reactor catalítico es el convertidor catalítico que procesa los componentes tóxicos de los escapes 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 volúmenes extremadamente altos que incluyen ácido sulfúrico , amoníaco , reformado/ BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) y craqueo catalítico fluido . Son posibles varias configuraciones, consulte Reactor catalítico heterogéneo .