Instituto tecnologico deorizaba




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CAPITULO II. CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUIMICOS.

2.1. Aspectos mecánicos o detalles de construcción.

Tomando en cuenta la forma de los reactores podemos clasificarlos de la forma siguiente:

REACTOR TANQUE. Este es quizá el tipo de reactor de más uso común en la industria química. En la mayoría de los casos, esta equipado con algún medio de agitación (por ejemplo, centrifugación, oscilación o sacudidas) así como elementos para la transferencia de calor (por ejemplo, intercambiadores de calor de cubierta externos e internos). Esta clase admite tanto la operación discontinua como la continua en amplias gamas de temperaturas y presiones. Con la excepción de líquidos muy viscosos, el tanque con agitación produce un mezclado casi perfecto (por retro mezclado). En una operación continua se pueden conectar en serie varios reactores de este tipo. También existen depósitos de reacción unitarios de funcionamiento continuo, divididos en cierta cantidad de compartimientos, cada uno de los cuales equivale a un tanque con agitación.

REACTOR TUBULAR. Este tipo de reactor se construye ya sea de un solo tubo continuo o varios tubos en paralelo. Los reactivos penetran por un extremo del reactor y el producto sale por el otro, con una variación continua en composición de la mezcla de reacción entre estos dos puntos. La transferencia de calor hacia el reactor o desde este, se logra por medio de una camisa o un diseño de tubos del reactor pueden estar empacados con gránulos de catalizador o solidos inertes. El reactor tubular tiene aplicación en los casos en los que es indispensable el retro mezclado en la dirección del flujo. Las reacciones tales como la disociación catalítica de hidrocarburos, la conversión de aire en NO, y la oxidación de NO en NO2, son ejemplos de la aplicación de este genero de reactores.

2.1.1. Reactores tipo tanque con agitación.

La agitación se logra por medio de agitadores de formas diversas (principalmente turbinas o hélices), o bien por circulación forzada por una bomba externa o sumergida. Los reactores pequeños pueden agitarse por vaivén, por sacudidas o por volteo de todo el recipiente. El diseño del sistema de agitación incluye el numero, tamaño y posición de los agitadores y tabiques deflectores. a manera de orientación la eficacia de agitación puede expresarse en función de la potencia suministrada a la unidad de volumen de los reactantes como sigue:

Intervalo de agitación

Moderada

Vigorosa

Intensa

Potencia suministrada, CV/m3

0.12-0.25

0.60

Mas de 1.25

Desde el punto de vista de eficacia de un reactor, la agitación vigorosa en un reactor continuo tipo tanque con agitación proporcionara un 90 % de la conversión que se lograría con mezcla perfecta.

Entre los dispositivos para lograr la transmisión de calor se incluyen paredes encamisadas, serpentines internos y cambiadores de calor externos. El calentamiento también puede efectuarse por contacto directo o eléctricamente. Si la reacción transcurre con desprendimiento de vapores, para su enfriamiento debe emplearse un condensador de reflujo. La elección del dispositivo de calefacción depende de la facilidad con que se ensucie la superficie y la consiguiente frecuencia de limpieza, el área de superficie necesaria, las posibilidades de averías por fugas del agente de transmisión del calor y la temperatura y presión del mismo. Como el área de transmisión tiene un valor moderado, resulta mas conveniente el empleo de la camisa de calefacción. Para mejorar las condiciones de transmisión, la camisa puede estar dispuesta de forma que el agente de transmisión siga un recorrido en espiral y fluya a una velocidad elevada. En algunos recipientes se ha fundido el serpentín de transmisión de calor en el interior de las paredes, lo que permite el empleo de agentes de transmisión de calor a presión elevada.



En la figura 2.1 es posible apreciar las formas en que se puede llevar a cabo la transmisión de calor en los reactores de tanque con agitación.

Los reactores cilíndricos son los mas corrientes, predominando los de tipo vertical. Los reactores verticales se utilizan en los siguientes casos:

  1. Para tratamiento de suspensiones o lodos.

  2. Cuando se desea gran área de superficie libre de liquido con miras a la evaporación o a la absorción de gases.

  3. Cuando es perjudicial la elevación en el punto de ebullición debido a la carga hidrostática.

  4. Cuando se tratan materiales viscosos.

En los reactores verticales con agitación, la altura del liquido es aproximadamente igual al diámetro del recipiente; si se desea que la altura sea mayor, será necesario el empleo de una bomba de circulación o de varios agitadores con deflectores especiales. En la figura 2.2. podemos apreciar un tipo de reactor vertical, y en las figuras 2.3. y 2.4 los reactores horizontales.





Los reactores continuos de tanque con agitación de múltiples etapas; son tan corrientes los reactores de un solo cuerpo como los de múltiples. Los últimos son mas caros, pero se adaptan mas fácilmente a las variaciones en el numero de etapas paralelas para aumento de flujo, y a la transmisión de cantidades variables de calor. Cuando es posible, el flujo se hace por gravedad entre las etapas, ya que el mantenimiento de las bombas es siempre un problema. Los tipos de un solo cuerpo son mas compactos, mas baratos y mas fáciles de manejar y mantener.

En la figura 2.5 podemos apreciar los reactores de tanque con agitación de varias etapas.



2.1.2. Reactores tubulares.

El reactor tubular se denomina así porque en muchos casos tiene la forma de un tubo. Sin embargo lo que se entiende generalmente por reactor tubular es cualquier reactor continuo en el que existe un movimiento estacionario de uno o de todos los reactantes en una dirección espacial elegida (los reactantes entran por una parte del sistema o un extremo mejor dicho, y salen por el otro) y en el que no se intenta inducir mezcla entre elementos del fluido en diferentes puntos a lo largo de la dirección del flujo; es decir, es el tipo de reactor continuo para el que la hipótesis mas adecuada para predecir su comportamiento en primera aproximación es imaginar que el fluido se mueve a lo largo del mismo como un embolo o pistón. Los reactores tubulares se utilizan en muchas reacciones gaseosas en gran escala y también en determinadas reacciones en fase liquida. Los reactores tubulares se utilizan mucho para reacciones catalíticas. Aquí el reactor se llena con partículas del catalizador solido, y por esta razón se le designa como reactor de lecho fijo. El reactor consta frecuentemente de muchas docenas e incluso cientos de tubos en paralelo, fijos entre dos cabezas, como un cambiador de calor de tubos y envolventes. Los tubos suelen tener un diámetro de unos pocos centímetros y una longitud de varios metros.

Hay tres tipos principales de reactores tubulares:

  1. Tubo sencillo encamisado

  2. Cambiador de calor de carcasa y tubos

  3. Horno de tubo (retorta tubular), en el cual los tubos reciben calor por radiación y convección de los gases de combustión.

Este último se emplea para procesos endotérmicos, mientras que los otros son apropiados tanto para procesos endotérmicos como exotérmicos. El reactor de tubo sencillo es muy simple.

2.1.2.1. Reactor de carcasa y tubos.

La reacción puede tener lugar en el interior o en el exterior de los tubos. La zona de reacción puede contener relleno para mezclar las fases o aumentar la turbulencia, un catalizador solido en forma de gránulos o trozos grandes, tener las paredes revestidas con un catalizador, o bien estar vacíos. Los agentes de transmisión del calor pueden ser de cualquier naturaleza: refrigerantes, agua, vapor de agua, Dowtherm y sales fundidas. La figura 2.6 ilustra el principio frecuentemente adoptado de emplear la mezcla reaccionante como agente de calefacción, de enfriamiento dentro del mismo reactor. En el reactor indicado, el aire reaccionante se precalienta por contacto indirecto con los productos de reacción y a su vez se enfría rápidamente.



2.1.2.2. Hornos tubulares.

Se aplican en el cracking de hidrocarburos para obtener olefinas o gasolinas y, en general siempre que se requieran temperaturas bastante elevadas.

El horno consta de una cámara de combustión revestida con refractario, con una serie de tubos montados en las paredes y en la bóveda y a veces en la solera. En la sección de radiación los tubos están en contacto directo con las llamas. La sección de convección puede estar en la cámara principal, separada por una pared de altar, o bien en el conducto de humos. Los tubos de convección pueden tener una de estas emisiones:

  1. Precalentar la carga

  2. Mantener la temperatura de reacción alcanzada en la sección de radiación

  3. Recuperar el calor, bien por el calentamiento del aire de combustión, o bien por generación de vapor.

En la figura 2.7 podemos apreciar los tipos básicos de hornos tubulares.



2.2. Intercambio de materiales con su medio ambiente.

De acuerdo a estas características nos es posible clasificar a los reactores de la siguiente manera:

REACTOR CONTINUO. Los reactivos se introducen y los productos se extraen simultáneamente y en forma continua en los reactores de esta índole. Este puede tener la forma de un tanque, una estructura tubular o una torre, y tiene multitud de aplicaciones en plantas de gran escala con el propósito de reducir los costos de operación y facilitar el control de calidad del producto.

REACTOR DISCONTINUO. Este tipo admite todos los reactivos al principio y los procesa según un curso predeterminado de reacción durante el cual no se alimenta o se extrae ningún material. Por lo común, el reactor tiene la forma de un tanque con o sin agitación, y se usa primordialmente en una producción a pequeña escala. La mayoría de los datos cinéticos básicos del diseño del reactor se obtienen de esta clase de equipo.

REACTOR SEMICONTINUO. A esta categoría pertenecen aquellos reactores que no satisfacen por completo las dos clases antes mencionadas. En uno de los casos, algunos de los reactivos se cargan al principio, en tanto que los restantes se dosifican continuamente conforme se desarrolla la reacción. Otro tipo es similar al reactor discontinuo, excepto que uno de los productos o mas se extrae en forma continua.

2.2.1. Reactor continuo tipo tanque con agitación (C.S.T.R.)

Se emplea frecuentemente en serie: los reactantes se alimentan continuamente al primer tanque, desde el cual fluyen a través de otros reactores de la serie manteniéndose agitación adecuada en cada uno de ellos para lograr la uniformidad de concentración. Considerando el sistema como un todo, existe un gradiente de concentraciones escalonado.

Las diversas etapas de una batería de reactores de tanque con agitación pueden hacerse en uno solo en lugar de efectuarse en diversos tanques. Si es horizontal, el reactor de múltiples etapas esta dividido por tabiques verticales de diferentes alturas, por encima de las cuales rebosa la mezcla reaccionante. Cuando los reactantes son parcialmente miscibles y sus densidades lo suficientemente distintas, el reactor vertical conduce a la operación en contracorriente, de hecho de considerable importancia en las reacciones reversibles.

Por tanto este tipo de reactor consta de varios (a menudo tres o cuatro) tanques bien agitados en serie y tiene un flujo continuo del material en reacción desde un tanque al siguiente y una alimentación constante de nuevos reaccionantes al primero. Como los recipientes son poco esbeltos (por ejemplo cilindros de altura igual al diámetro), es esencial una buena agitación de su contenido; de lo contrario una gran parte del fluido pasaría directamente de la entrada a la salida, y una buena parte del volumen del recipiente seria espacio muerto.

En efecto la característica mas importante es la agitación; el reactor C.S.T.R. puede ser descrito en consecuencia en términos mas abstractos, como un sistema de reacción de varias etapas para el que la primera aproximación mas idónea es la estimación de su comportamiento, se basa en la hipótesis de una mezcla perfecta en cada etapa.

La mezcla hace que dentro de cada tanque, todos los elementos del fluido tengan virtualmente la misma composición y que esta sea la misma que la composición de salida. Esto origina un cambio discontinuo de composición desde un tanque al siguiente, y también una perdida por recirculación; una molécula que entra en un tanque en un momento dado tiene una probabilidad finita de encontrar casi inmediatamente el camino de la corriente necesaria de salida. Esta es la razón por lo que es corrientemente necesario utilizar varios tanques en serie; si hubiese solo uno o dos, podrían producirse perdidas apreciables de reactivo sin reaccionar. Y aunque esta perdida, es en cierto sentido, una consecuencia de la agitación, habría un re circulante mucho mayor, dentro de un tiempo corto comparado con el tiempo de residencia medio, si no hubiese agitación, puesto que esto daría lugar, como se ha mencionado, a un paso directo entre la entrada y la salida.

Otra ventaja del C.S.T.R., además de la sencillez de su construcción, es la facilidad de regular la temperatura. Los reaccionantes que entran en el primer recipiente se sumergen inmediatamente en un gran volumen de fluido que ha reaccionado parcialmente y, debido a la misma agitación, no tienden a formarse “puntos locales calientes”. Así mismo, los tanques del C.S.T.R. permiten disponer de un área muy grande de superficie de refrigeración. Además de la superficie interna suficientemente grande en forma de serpentines de refrigeración sumergidos. Una ventaja adicional, en comparación con el reactor tubular, es su posibilidad de apertura. Esto facilita la limpieza de las superficies internas, lo que es importante en el caso de reacciones donde pueden depositarse materia solida, como en procesos de polimerización y en reacciones en las que se forma material resinoso como subproducto.

Por estas razones los campos típicos de aplicación del C.S.T.R. son procesos continuos de sulfonación, nitración, polimerización, etc. Se utilizan muy ampliamente en la industria química orgánica y especialmente en la producción de plásticos, de explosivos, caucho sintético, etc.

2.2.1.2. Características de los reactores continuos tipo tanque.

Las características principales de este tipo de reactores son las siguientes:

  1. La reacción química se lleva a cabo en sistema abierto

  2. Los reactantes se añaden y descargan continuamente

  3. Operan a régimen estable.

En la figura 2.8 podemos observar los reactores tipo tanque agitado en serie y en uno solo.


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