Instituto tecnologico deorizaba




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3.8.3. Reactor discontinuo.

  1. Versátil.

  2. Rendimiento elevado del producto.

3.8.4. Reactor semicontinuo.

  1. Buen control de temperatura.

  2. La distribución de productos deseada se obtiene regulando la concentración de un reactivo.

3.8.5. Reactor de lecho fijo.

  1. Simplicidad de operación.

  2. Bajo costo de construcción.

  3. Bajo costo de mantenimiento.

3.8.6. Reactor de lecho fluidizado.

  1. Temperatura uniforme

  2. Operación continua con regeneración de catalizador.

  3. Mayor eficiencia en el contacto solido-fluido.

3.9 Desventajas de los reactores químicos.

3.9.1 Reactores continuos tubulares.

  1. su costo inicial es alto.

  2. No se recomienda su uso para reacciones que requieren mucho tiempo de residencia.

  3. El tiempo de residencia esta fijo par aun flujo dado de alimentación.

3.9.2 Reactores continuos tipo tanque.

  1. Su costo inicial es alto.

  2. Para tiempos de residencia muy grandes, su tamaño es a la ves muy grande.

  3. Menos eficiente en general que el reactor tubular.

3.9.3. Reactor discontinuo.

  1. Costos de operación elevados.

  2. Producción a pequeña escala.

  3. Difícil control de calidad del producto.

3.9.4. Reactor semicontinuo.

  1. Costos de operación elevados.

3.9.5. Reactor de lecho fijo.

  1. Transferencia de calor grande.

  2. Difícil mantener una distribución uniforme de flujo.

  3. Dificultad para regenerar el catalizador.

  4. En lechos fijos grandes resulta difícil el control de temperatura.

  5. En reacciones muy exotérmicas es muy probable que se formen zonas calientes o frentes calientes móviles que puedan perjudicar al catalizador.

  6. No pueden emplear tamaños muy pequeños de catalizadores debido a la formación de “tapones” y a que originan pérdidas de presión elevadas.

3.9.6. Reactor de lecho fluidizado.

  1. Mayor costo de operación, debido a altas caídas de presión

  2. Erosión del equipo (abrasión).

  3. Mayor costo de mantenimiento.

  4. Formación de burbujas (bajas conversiones)

  5. Son adecuadas para emplear partículas de tamaño pequeño como catalizador.

  6. Atrición del catalizador.

CAPÍTULO IV. PROBLEMAS DE APLICACIÓN.

Dentro de este tema trataremos la aplicación de los recursos mencionados en el capitulo anterior para la resolución de un problema dado.

  • PROBLEMA NUMERO 1.

Para un proceso de nitración, cuya finalidad es obtención de nitrobenceno, utilizando benceno y acido nítrico como reactivos en presencia de acido sulfúrico como catalizador; las condiciones de operación son, presión 1 atmosfera, temperatura en un intervalo de 45-950C. Se requiere conocer el tipo de reactor adecuado, así como los costos de compra y como equipo instalado, si se necesita un reactor de 3000 galones de capacidad.

SOLUCION.

Para determinar el tipo de reactor mas adecuado a la reacción, podemos recurrir a la información presentada en la sección 3.4.3 del capitulo 3, donde en base al tipo de reacción recomiendan el tipo de reactor.

En el enunciado del problema se observa que los reactivos están en fase liquida y que son sustancias inmiscibles, por ello podemos hablar de una reacción heterogénea líquido-líquido. En el capítulo 3 sección reacciones heterogéneas se proporciona información sobre el tipo de reactor más adecuado para esta reacción, así como tipo de agitador para este reactor. Entonces según esta información se necesita un reactor agitado con turbina y cortacorrientes con un consumo de 5 hp/1000 galones.

Una vez determinado el tipo de reactor adecuado, procederemos a la estimación de los costos. Para ello recurriremos a la tabla 3.6.5.1 donde se muestra una información de fácil interpretación y forma sencilla de resolución para la obtención de los dos tipos de costos que se requieren.

Tomando como datos la presión, capacidad del tanque y potencia del agitador para la capacidad requerida.

En la tabla, para la presión necesaria hay reactores de tres tipos diferentes de material de construcción; tomaremos un tanque de acero inoxidable debido a que estamos trabajando ácidos y por tanto es el mas conveniente.

Entonces procedemos a sustituir:

Costo del tanque de acero inoxidable: 57 (3000)0.82= 40468.23 dólares

Costo del agitador de acero inoxidable: 2000 (15)0.56=9112.57 dólares.

COSTO TOTAL DE COMPRA DE REACTOR: 49580.80 dólares.

Costo del tanque de acero inoxidable: 100 (3000)0.82=70996.9 dólares

Costo del agitador de acero inoxidable: 2000 (15)0.56= 9112.57 dólares

COSTO TOTAL DEL REACTOR INSTALADO: 80109.47 dólares.

NOTA:

Las estimaciones de costos fueron hechas utilizando una tabla de la referencia IV. Con el mismo procedimiento puede realizarse la estimación empleando tablas o graficas con datos actualizados.

  • PROBLEMA NÚMERO 2.

Son requeridas 2 estimaciones para un reactor enchaquetado con capacidad de 6000 galones; con una presión de operación de 125 psi y una temperatura de 3500F.

Las estimaciones se requieren para acero inoxidable 316 y 304.

SOLUCIÓN.

Resolveremos este problema utilizando una grafica para estimación de costos de equipo publicada en la revista Chemical Engineering correspondiente al mes de abril de 1962.

Se observa que la tabla esta diseñada para una capacidad de hasta 10000 galones y dos tipos de acero inoxidable.

Como ordenada tenemos los costos de compra del reactor; resulta entonces muy sencilla la estimación de costos para los reactores de diferentes tipos de acero. Por tanto, tenemos:

  1. Para acero inoxidable tipo 316 y una capacidad de 6000 galones, se tiene un costo de 48 500 dólares.

  2. Para un acero inoxidable 304 y una capacidad de 6000 galones se tienen un costo de 43000 dólares.

Ahora la decisión esta entre los tanques de diferentes aceros en base a su precio y sus características; ya que el acero tipo 316 es mas resistente a la corrosión, y el tipo 304 tiene bajo contenido de carbono, por tanto, es menos resistente a la corrosión y mas bajo en precio; el mejor seria el acero del tipo 316, aunque es posible utilizar el de tipo 304. Tomando en cuenta que un acero de bajo contenido de carbono es poco resistente a la corrosión y el reactor pronto puede dañarse.

Estas graficas para la estimación de costos de equipo son publicadas periódicamente por revistas de ingeniería química para distintos tipos de equipo y son una fuente muy rica para estimaciones rápidas de costos.

A continuación se muestra la grafica para la estimación de los costos del reactor en los dos tipos de acero. La grafica contiene un rango para 0-10000 galones y una presión de 75 psi; para el enchaquetamiento se tienen 125 psi.



  • PROBLEMA NÚMERO 3.

Se necesita conocer el costo aproximado de un reactor tanque de acero vitrificado para una presión de 50 psig. Ya que se realizara una reacción; pero existe la posibilidad de realizarla también en un reactor de acero inoxidable tipo tanque; por tanto es necesario conocer los precios de los dos reactores para decidir por uno en cuanto al precio. La capacidad requerida es de 2000 galones.

SOLUCIÓN.

Para la solución de este problema vamos a utilizar el nomograma 3.6.6.1. Ya que en su listado de equipo encontramos lo que se requiere conocer en el problema; entonces tomamos las coordenadas correspondientes y tenemos:

  1. Para un reactor de acero vitrificado y 50 psig; X=2.50 y Y=4.10; nos da un costo de 11900 dólares.

  2. Para un reactor de acero inoxidable y 50 psig; X=2.30 y Y=4.13; tenemos un costo de 12000 dólares.

Entonces podemos decidir por el que resulta mas económico ya que es indistinto para llevar a cabo la reacción.

NOTA:

Los costos estimados en este problema corresponden al año de 1960. Aquí se pretende mostrar otro recurso para cálculo rápido y sencillo de costo de equipo.



CONCLUSIONES

En la selección del tipo de reactor, los factores técnicos son de importancia considerable; ya que por medio de estos podemos basarnos en la determinación del tipo de reactor mas adecuado, dadas las condiciones de operación.

Por ello es de primordial importancia tener definidos factores como el tipo de reacción, la fase en que se llevará a cabo, condiciones de presión, temperatura, y concentración de los reactivos.

Definidos el tipo de reactor a utilizar podemos determinar su costo, esto es un factor de gran importancia; podemos agregar también que una misma reacción puede llevarse a cabo no solamente en un mismo tipo de reactor y se puede decidir por alguno en base al costo.

Para la determinación del costo de un reactor la característica mas importante es conocer el tamaño del mismo; ya que como se describió en este trabajo las publicaciones para la estimación de costos se basan en el tamaño del mismo y el material de construcción; por lo general las graficas y nomogramas publicados son capacidad contra costo.

A lo anterior dicho podemos agregar:

  1. Si el reactor se hace grande, el tiempo de reacción será elevado. El coste del reactor será elevado con cargas elevadas relativas a la inversión de capital. Otra consecuencia es la elevada conversión, esto significa costes menores de separación y recirculación. Con un reactor grande, el coste de la operación tendera hacia valores elevados debido a los rendimientos pobres y al coste grande de inversión del capital del reactor.

  2. Si el reactor es pequeño, el tiempo de reacción será corto, las conversiones será bajas, y (normalmente) el rendimiento del producto será alto; solo habrá una pequeña cantidad de subproducto. El coste del reactor será bajo, así como las cargas asociadas con la inversión del capital. Por otro lado, una conversión baja conduce a costes elevado para la separación del reactante y recirculación y una inversión superior en el equipo de separación.

Por ello es de gran importancia seleccionar adecuadamente el tamaño y tipo de reactor: el equipo en una industria tiene una importancia enorme ya que por medio de él podemos llevar a cabo las operaciones y procesos para obtener los productos requeridos y deseados.

El presente trabajo tiene como fin el mostrar la forma en que se lleva a cabo la selección de reactores químicos; así como mostrar los factores que intervienen en dicha selección; se pretende dar una visión de los pasos a seguir para seleccionar equipo para la industria química.

BIBLIOGRAFÍA.

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  3. E. Cunningham, Roberto; Fundamentos de diseño de reactores. Editorial Universitaria de Buenos Aires. Año 1977.

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  6. Perry H. Robert and Chilton, Cecil; Manual del Ingeniero Químico. Editorial Mc Graw Hill. 1984.

  7. Peters Max, S. and Timmerhaus D., Klaus; Plant Design and Economics for Chemical Engineers. International Student Edition. 1965.

  8. Rase F., H. and Barrow M., H.; Ingeniería de proyectos para plantas de proceso. Editorial C.E.C.S.A. 1984.

  9. Ulrich D., G.; Procesos de Ingeniería Química. Editorial Interamericana. 1986.

  10. Vilbrandt, Frank and Dryen E., Charles, Ingeniería Química del Diseño de Plantas Industriales. Editorial Mc. Graw Hill. 1980.

  11. Walas M., S.; Cinética de las Reacciones Químicas. Editorial Aguilar, S.A. 1972.

  12. Wuithier, P.; El Petróleo, Refino y Tratamiento Químico. Editorial C.E.P.S.A. Instituto Francés del Petróleo.

  13. Chemical Engineering Magazine. Adril, 1982.
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