Instituto tecnologico deorizaba




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SELECCIÓN DE REACTORES QUÍMICOS.






INSTITUTO TECNOLOGICO DEORIZABA


Transcrito por Mauricio Martínez Rodríguez de una tesis de curso especial de titulación con fecha de diciembre de 1989.




Tabla de contenido


PRÓLOGO 2

1. INTRODUCCIÓN 3

1.1 El reactor químico y la reacción química 3

1.2 Reactores ideales 4

1.3 Reacción continua y discontinua 5

1.4 Factores que afectan la operación. 6

2. CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUÍMICOS 9

2.1 Aspectos mecánicos o detalles de construcción 9

2.2. Intercambio de materiales con su medio ambiente 18

2.3. Clasificación de acuerdo a las fases presentes 23

2.4. Clasificación en base a la presencia de catalizadores 25

2.5. Clasificación en base a su temperatura de operación 34

2.6. Reactores especiales 35

3. SELECCIÓN DE REACTORES QUÍMICOS 37

3.1. Selección de equipo de proceso 37

3.2. Especificaciones para un reactor químico 40

3.3. Factores que influyen en la selección del tipo de reactor 41

3.4. Factores técnicos 42

3.5. Factores sociales 49

3.6. Factores económicos 50

3.7. Usos industriales de los reactores químicos 60

3.8. Ventajas de los reactores químicos 61

3.9. Desventajas de los reactores químicos 61

4. PROBLEMAS DE APLICACIÓN 63

Conclusiones 69

Bibliografía 70

PRÓLOGO.

El tipo de problema industrial al que nos referimos en este trabajo es: como elegir el tipo de reactor para una reacción química determinada.

Cuando el ingeniero químico se enfrenta a un problema de este tipo, generalmente tiene que considerar prefijadas dos cosas: la escala de operación y la cinética de la reacción. A partir de estas tiene considerable libertad de elección, puede adoptar un proceso discontinuo o uno de los diversos tipos de procesos continuos; dentro de ciertos limites puede elegir las temperaturas y presiones de operación; así como los valores que crea mas convenientes para la concentración inicial de los reaccionantes.

La finalidad del presente trabajo es mostrar los casos a seguir en la selección de un reactor químico. Se incluye información que es útil para otro tipo de equipo.

Después de la introducción, en el capitulo segundo se muestra una clasificación de los reactores químicos hecha en base a lo investigado; se describen también sus características principales.

El capitulo tercero es el tema central de este trabajo, incluye información sobre los factores mas importantes a considerar en la selección de reactores químicos, así, como sus ventajas y desventajas, al igual que sus usos industriales lo cual facilita la selección.

El ultimo capitulo pretende mostrar por medio de todo lo descrito en los primeros capítulos y tema central en que se lleva a cabo la selección de los costos de los reactores químicos.

El seleccionar equipo requiere de muchos factores y de un criterio que se logra por medio de conocer todas las variables a intervenir en el proceso. En este trabajo se describen los factores y variables a tomar en cuenta cuando se requiere llevar a cabo una cierta reacción.

CAPITULO I. INTRODUCCION.

    1. El reactor químico y la reacción química.

En la actualidad los procesos químico-industriales se han de proyectar para obtener económicamente un determinado producto, a partir de diferentes materias primas, que se someten a etapas diferentes de tratamiento como:

Etapas de tratamiento físico para ponerlas en la forma en que pueden reaccionar químicamente, y a continuación pasan al reactor. Los productos de reacción han de someterse después a nuevos tratamientos físicos (separaciones, purificaciones, etc.) para obtener el producto deseado.

En efecto la transformación de unos productos en otros de mayor utilidad tiene lugar a través de transferencia de calor y materia dependiente de la termodinámica, cinética y mecanismos de la propia reacción química.

Un reactor químico es un aparato que proporciona un espacio, aislado de los alrededores, donde la reacción química puede tener lugar en condiciones deseadas de temperatura, presión y concentración.

Las reacciones químicas como se realizan en condiciones industriales son casi siempre complejas. En un sistema de reactor existirá la reacción principal, o deseada, junto con una o mas reacciones secundarias. Las reacciones secundarias producen subproductos indeseables y reducen así el rendimiento de la reacción.

La corriente producto del reactor debe tratarse de modo que se separe y se verifique la materia prima que no ha reaccionado y el producto deseado. La materia prima no reaccionada puede recircularse al reactor, el producto deseado se procesa posteriormente, y el subproducto no deseado se recupera y se dispone del mismo de alguna manera.

Una reacción química tiene diversas variables importantes:

  1. La cinética de las reacciones. La velocidad con que los productos químicos reaccionan es la característica más importante para seleccionar un reactor. Las velocidades de las diversas reacciones dependen normalmente fuertemente de la temperatura y de la composición.

La velocidad de reacción se define formalmente como el cambio de numero de moles de un componente con respecto al tiempo, por unidad de volumen de mezcla reaccionante. Esta cantidad es negativa cuando es reaccionante y positiva cuando se trata de un producto.

La velocidad de reacción se escribe normalmente en la forma:

y

Se conocen muchas formas diferentes de la reacción general. Un análisis matemático exacto es normalmente bastante complejo y, con frecuencia, estos análisis se restringen a formas más sencillas. En muchos casos existe poca diferencia con la forma exacta utilizada, y un análisis sencillo es normalmente suficiente.

Con objeto de determinar las constantes A y E en la ecuación para k es necesario tener dato de velocidad de reacción para dos o mas temperaturas. Estos se disponen raramente, y cuando existen, con frecuencia es difícil saber el mecanismo exacto de la reacción. Como consecuencia no es frecuente que un conocimiento preciso de A y E exista. Para muchos casos de selección de reactores químicos no es necesario este conocimiento. Sin embargo, es muy bueno disponer de datos de velocidad de reacción para dos o más temperaturas.

  1. El efecto calorífico de la reacción. Casi todas las reacciones químicas tienen un efecto calorífico. Con frecuencia, este efecto calorífico es importante y un reactor debe diseñarse de modo que suministre o acepte calor. El producto de la velocidad de reacción y el efecto calorífico de la reacción es una característica de la reacción de gran importancia debido a que este valor determina el tamaño y la forma del área de transmisión de calor asociada con el reactor.

  2. La naturaleza corrosiva de los materiales reaccionantes. Obviamente esto determina el tipo de material de construcción del reactor, y esto a su vez, tiene un efecto importante en el diseño y coste del reactor.

Respecto a esto, en la construcción de los reactores se emplean técnicas diversas. Para presiones muy elevadas se utilizan tanto la foja y el laminado como el torno y la autógena. A temperaturas elevadas, a veces se necesitan revestimientos aislantes para reducir la temperatura de la armadura metálica y permitir así el empleo de paredes mas finas. También pueden enfriarse las paredes por circulación de la carga fría a través de un espacio anular, o bien por enfriamiento externo. El enfriamiento es necesario a veces para hacer mínima la corrosión; así en la preparación de cloruros metálicos a temperaturas elevadas, los reactores están aislados con un espesor considerable de material cerámico; pero como hay siempre la posibilidad de fugas, es conveniente enfriar también las paredes de acero hasta temperaturas inferiores a 320 0C por medio de chorros externos de aire; de otro modo, el acero puede quemarse por acción del cloro.

  1. El valor económico relativo de los reactantes, productos y subproductos.



    1. Reactores ideales.

Hablaremos en breve de estos tres tipos de reactores, ya que estos son relativamente fáciles de estudiar, a la vez que suelen representar el mejor modo de poner en contacto los reactantes, sin que importen las condiciones de operación. Por estas razones se tratan de diseñar los reactores reales de tal manera que sus flujos se aproximen a los de estos modelos ideales.

REACTOR DISCONTINUO. Los reactantes se introducen en el reactor se mezclan, se deja que reaccionen un tiempo determinado, y finalmente se descarga la mezcla resultante. Es esta operación de tipo estacionaria en la que la composición va variando con el tiempo, aunque en cada instante es uniforme en todos los puntos del reactor.

REACTOR DE TIPO FLUJO EN PISTON. También se conoce como reactor de flujo de tapón, de flujo tubular ideal, y de flujo uniforme; por lo general se le denomina reactor de flujo en pistón y a su modelo de flujo se le designa por flujo en pistón.

Se caracteriza por que el flujo del fluido a través de él es ordenado, sin que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después de aquel; en realidad, en este reactor puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca ha de existir mezcla o difusión a lo largo de la trayectoria del flujo.

La condición necesaria y suficiente para que exista flujo en pistón es que el tiempo de residencia en el reactor sea el mismo para todos los elementos del fluido.

REACTOR DE MEZCLA COMPLETA. Llamado también reactor de retro mezclado, reactor ideal de tanque con agitación, o reactor CFSTR (Constant Flow Stirred Tank Reactor), y como su nombre lo indica, es el reactor en el que su contenido esta perfectamente agitado, y su composición en cada instante es la misma en todos los puntos del reactor. Por consiguiente la corriente de salida de ese reactor tiene la misma composición que la del fluido contenido en el mismo. A este tipo de flujo le denominaremos flujo en mezcla completa, y el reactor correspondiente reactor de flujo en mezcla completa.

En la figura 1.2.1. Se pueden apreciar los tres tipos de reactores ideales



    1. Reacción continua y discontinua.

Ciertos productos obtenidos en cantidades mas bien pequeñas (productos farmacéuticos, colorantes y otros) se fabrican discontinuamente. En una fabrica de este tipo de productos, uno puede sorprenderse por la presencia de centenares de autoclaves, cada uno de ellos utilizado para producir una tonelada de un producto un día y una tonelada de otro producto completamente diferente al día siguiente. Un sistema así ofrece una gran flexibilidad, especialmente cuando la citada fábrica tiene una gama de cientos e incluso miles de productos cada uno producido en una escala más bien pequeña. Otra ventaja de la operación discontinua es que el costo de capital es a menudo menor que el correspondiente proceso continuo. Por esta razón el sistema adecuado para nuevos procesos que en una etapa de desarrollo mas avanzada funcionaran en forma continua. Las razones por las que el proceso continuo se adopta finalmente, en la mayoría de las industrias químicas de gran escala son principalmente estas:

  1. Disminución del costo de trabajo (es decir, menor mano de obra en el crudo lenguaje de la administración). A causa de la eliminación de ciertas operaciones, tales como el repetido llenado y vaciado de recipientes discontinuos.

  2. Facilidad de control automático. También esto reduce costos de trabajo, aunque generalmente requiere un considerable costo de capital.

  3. Mayor constancia en las condiciones de la reacción y por tanto, mayor constancia en la calidad del producto.

La correcta elección entre la reacción continua y discontinua depende mucho de la magnitud de los costos de trabajo en relación a los de capital. Lo que es mejor par aun país muy industrializado no lo es necesariamente para otro que lo este menos.

Ahora podemos preguntarnos cual es la diferencia científica, en contraposición con la económica, entre la reacción continua y discontinua. La cinética de las reacciones se estudia generalmente en el laboratorio en condiciones discontinuas pero la aplicación de los resultados al diseño de un proceso continuo no implica nuevos principios de cinética, puesto que los cambios moleculares son los mismos. La diferencia estriba en la existencia de un estado de flujo en el proceso continuo, y esto puede ocasionar cambios importantes de carácter macroscópico. En particular, no todas las moléculas que pasan a través del sistema fluyente tendrán necesariamente igual tiempo de residencia, ni tendrán la misma historia en cuanto a los cambios de concentración o temperatura. A estos factores pueden causar cambios considerables de rendimiento o de velocidad media de reacción, en comparación con un proceso discontinuo. Es especialmente el caso cuando la reaccionó se complica por la existencia de las reacciones secundarias. Aquí el rendimiento del producto deseado puede diferir considerablemente entre las operaciones continua y discontinua, y también entre los dos tipos principales de procesos continuos. El rendimiento de la reacción no es necesariamente mas bajo para el proceso continuo (en algunos casos puede ser mas elevado). Sin embargo en ejemplos donde es mas bajo, este factor puede contrapesar las ventajas normales de la operación continua de modo que favorezca al sistema discontinuo.

    1. Factores que afectan la operación.

La diferencia de comportamiento entre una reacción continua y discontinua se puede analizar en función de los siguientes factores:

  1. Diferencias en distribución de tiempo y residencia.

  2. Diferencias en historia de la concentración.

  3. Diferencias en historia de la temperatura

El primero de todos se refiere a los tiempos de residencia y su variación. Mientras en la reacción discontinua todos los elementos del fluido reaccionan en el mismo periodo de tiempo, ello no sucede en ninguno de los procesos continuos. En el caso del C.S.T.R. el factor que da lugar a los distintos tiempos de residencia para las diferentes moléculas es el comportamiento como si hubiese mezcla perfecta. El reactor tubular (excepto cuando se aplica la condición límite de flujo de pistón) los tiempos de residencia de moléculas o de elementos del fluido individuales se distribuyen análogamente en un cierto intervalo de valores. Una de las causas es la variación de la velocidad del fluido en una sección recta, es decir, el hecho de que algunos elementos del fluido se muevan más rápidamente a través del reactor que otros. Otra causa es la difusión (molecular o turbulenta), y esto ocurre tanto en dirección del flujo como en dirección normal. El efecto de la difusión longitudinal es reducir el tiempo medio de residencia de las moléculas reaccionantes y también aumentar el intervalo de los tiempos de residencia. La difusión lateral actúa en dirección opuesta y tiende a aproximar el comportamiento del sistema en flujo de pistón.

Siempre que ocurren estas variaciones de tiempos de residencia aparecen varias consecuencias importantes. Una de ellas es un aumento en el tamaño necesario de reactor para una producción y una eficiencia de conversión dadas. Es obvio que, si una fracción apreciable del reaccionante pasa a través del reactor en un tiempo mucho mas corto que el valor medio de paso (también llamado tiempo de permanencia) tiene que ser aumentado para dar esa fracción de reactante oportunidad de reaccionar mejor. Otras consecuencias importantes aparecen en tipos especiales de procesos; en ciertos tipos de reacciones de polimerización aumenta el intervalo de pasos moleculares en el producto; en un proceso de cristalización hay un aumento similar en el intervalo de los tamaños de partículas; y en ciertos tipos de cinéticas química puede reducirse el rendimiento del producto deseado.

El significado de la historia de la concentración no es quizá el mismo que la distribución de tiempos de residencia aunque los dos factores están relacionados. El ultimo esta determinado por la fluido dinámica del sistema y por la presencia de la difusión y de la mezcla; el primero depende parcialmente de estos factores, pero también de la presencia de la reacción misma; cada tipo de reacción traza su propia y peculiar clase de historia.

Mientras en un proceso discontinuo o tubular las concentraciones de los reaccionantes cambian continuamente, en un C.S.T.R. que comprenda varios tanques en serie las concentraciones cambian discontinuamente; es decir, hay un cambio brusco desde un tanque al siguiente. Además la altura de las etapas esta determinada por la propia reacción, así como el tamaño de los tanques. Cuanto mayor sea el orden de la reacción, mayor es la fracción de la conversión total que tiene lugar en los primeros tanques de la serie, en que las concentraciones de las reacciones son mas elevadas. Así la altura de las ultima etapas, disminuye con la reacción a las primeras.

Como consecuencia de ello es posible que por dos diferentes tipos de procesos continuos tener la misma distribución de tiempo de residencia (referida a su sustancia mezcladora) y tener sin embargo, diferentes historias de concentración y diferentes comportamientos.

En resumen el comportamiento del reactor como tal depende de la historia de la concentración, pero esta se origina por la propia reacción, así por el tipo de flujo que exista dentro del sistema.

La historia de la temperatura tiene lugar naturalmente en efectos mayores que la historia de la concentración, y ello es particularmente importante en reactores tubulares de lecho fijo. El fluido se mueve cerca del eje de un reactor puede pasar a través de una secuencia de temperaturas completamente diferentes a las del fluido que se mueve mas cerca de la pared.

La composición global del fluido a la salida es, consecuentemente, función de lo que es virtualmente un numero infinito de diferencias de historia.
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