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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

CURSO: FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DOCENTE: DR ALEJANDRO SALAS TEMA: REACTOR QUIMICO NOMBRE: TACO FLORES DELIA MARISSA

Arequipa-2017 REACTOR QUIMICO

Equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la reacción con el menor costo, tiempo, y mayor eficiencia posibles. Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control. Los reactores químicos tienen como funciones principales: – Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. – Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. – Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción. 1.

TIPOS DE REACTORES QUÍMICOS

Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes:  REACTOR DISCONTINUO. Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino más bien, al inicio del proceso se introduce los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no convertidos. También es conocido como reactor tipo Batch.  REACTOR CONTINUO. Mientras tiene lugar la reacción química al interior del reactor, éste se alimenta constantemente de material reactante, y también se retira ininterrumpidamente los productos de la reacción.  REACTOR SEMICONTINUO: Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va retirando productos y también incorporando más material de manera casi continúa.  REACTOR TUBULAR. En general es cualquier reactor de operación continua, con movimiento constante de uno o todos los reactivos en una dirección espacial seleccionada, y en el cual no se hace ningún intento por inducir al mezclado. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un extremo y salen por el otro.  TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA. Este reactor consiste en un tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado. La agitación del contenido es esencial, debido a que el flujo interior debe estar en constante circulación y así producir una mezcla uniforme.  REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. Se utiliza para reacciones donde intervengan un sólido y un fluido (generalmente un gas). En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rápido de partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura evitando la formación de zonas calientes.  REACTOR DE LECHO FIJO. Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma: granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos como el platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehído a ácido acético.

 REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. En estos reactores el catalizador sólido está presente como en el lecho fijo. Los reactivos se hacen pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a través del lecho.  REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. Una fase fluida pasa hacia arriba a través de un lecho formado por sólidos. El sólido se alimenta por la parte superior del lecho, se mueve hacia debajo de la columna y se saca por la parte inferior.  REACTOR DE BURBUJAS. Permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso a través de un líquido con el que puede reaccionar, porque el líquido contiene un catalizador disuelto, no volátil u otro reactivo. El producto se puede sacar del reactor en la corriente gaseosa.  REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIÓN. Son similares a los reactores de burbujeo, pero la fase “líquida” esta formada por una suspensión de líquidos y partículas finas del catalizador sólido.  REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. En este reactor las propiedades no se modifican ni con el tiempo ni con la posición, ya que suponemos que estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeño en comparación con el tiempo de permanencia en el reactor. En la práctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco viscosa y esté bien agitada  REACTORES DE RECIRCULACIÓN. Pueden ser CON DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan directamente a la entrada del reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR, cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se recirculan de nuevo al reactor  REACTORES DE MEMBRANA. Son aquellos que combinan la reacción y la separación en una sola unidad; la membrana selectivamente remueve una (o más) de las especies reactantes o productos. Estos reactores han sido comúnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la reacción están limitados por el equilibrio. También han sido propuestos y usados para otras aplicaciones; para incrementar el rendimiento y la selectividad de reacciones enzimáticas y catalíticas influyendo a través de la membrana sobre la concentración de una (o más) especies intermedias, removiéndolas selectivamente (o ayudando a mantenerlas en una concentración baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interfase controlada entre dos o más reactantes.

 FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en una “sopa” espesa que contiene crecimientos filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la fabricación de antibióticos como la penicilina.  REACTOR TRICKLE BED. Este tipo de reactor supone la existencia de un flujo continuo de gas y otro de líquido hacia abajo sobre un lecho fijo de partículas sólidas catalíticas, las características de las partículas sólidas y de su empaquetamiento, junto con los caudales y propiedades de las dos corrientes de fluidos determinarán el régimen de flujo del reactor y también sus propiedades fluido-dinámicas. También se pueden mencionar los reactores ISOTÉRMICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y también los reactores ISOBÁRICOS, que son aquellos que trabajan u operan a una misma presión constante. En muchas situaciones estos modelos ideales son válidos para casos reales, en caso contrario se habrán de introducir en los balances de materia, energía y presión términos que reflejen la desviación de la idealidad. Si por ejemplo la variación de las propiedades se debe a fenómenos de transporte de materia o calor se pueden introducir las leyes de Fick o Fourier respectivamente.

TIPOS DE REACTORES CON SUS CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS 1.-REACTOR BATCH CARACTERÍSTICAS: •Sistema cerrado •Estado no estacionario •Se cargan los reactivos al inicio, se retiran los productos al final VENTAJAS: Operación sencilla Bajo costo inicial DESVENTAJAS: *Tiene la desventaja de un elevado costo en su funcionamiento y de mano de obra debido a la gran cantidad de tiempo que se pasa parado debido a la carga, descarga y limpieza. *Además no siempre es posible implementar un sistema de control adecuado.

2.-REACTOR PFR O TUBULAR CARACTERÍSTICAS: •Sistema cerrado •Estado no estacionario •Se cargan los reactivos al inicio, se retiran los productos al final DESVENTAJAS: •Bajos tiempos de residencia •Para cada flujo hay un tiempo de residencia diferente USOS: •Gases y vapores •Alta producción •Intercambio de calor •Reactores heterogéneos catalíticos

3.-REACTOR CSTR O TANQUE AGITADO CARACTERÍSTICAS: •Sistema abierto •Estado estacionario •Reactivos y productos entran y salen constantemente VENTAJAS: •Bajo costo de operación •Continuos •Fácil control •Temperatura constante DESVENTAJAS: •No permite altos tiempos de residencia •Poco eficiente frente a una PFR

4.-REACTOR SEMI BATCH O SEMICONTINUO CARACTERÍSTICAS: *Sistema cerrado •Estado no estacionario VENTAJAS: •Semi continuo •Buen control de temperatura •Puede mantener baja la concentración de un reactivo DESVENTAJAS: •Baja producción •Altos costos de operación

5.-REACTOR DE LECHO EMPACADO

CARACTERÍSTICAS:  La regeneración del catalizador requiere del uso de gases; Es común usar un sistema de recirculación a fin de aumentar la eficiencia de re-activación.  Es en estado estacionario. DESVENTAJAS: *Este sistema presenta dificultades en el control de temperatura debido a la formación de zonas calientes y frías en el interior del lecho. *No se puede usar un tamaño de catalizador pequeño debido a la formación de tapones y caídas de presión.

6.-REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

CARACTERÍSTICAS:  El flujo es complejo, no es bien conocido, solo se puede estimar de forma aproximada los mecanismos de transferencia de masa, desde el punto de vista de transferencia el contacto no es muy eficiente debido a la diferencia de varias barreras físicas, esto obliga a usar una mayor cantidad de catalizador. VENTAJAS:  El control de temperatura se realiza de forma más fácil, comparado con el reactor de lecho empacado.  La reactivación del catalizador en caso de ser necesaria es más fácil y eficiente debido a la fluidización presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador.  Este tipo de flujo es adecuado para partículas de tamaño pequeño, ideal para reacciones rápidas en donde se necesita una área de contacto grande. 7.- REACTOR ISOTÉRMICOS

CARACTERÍSTICAS:

Mezcla uniforme (X, Conc, T Uniforme) Operación no estacionaria ( las condiciones cambian con el tiempo). Sistema cerrado. Existe intercambio de calor entre el sistema reaccionante y su entorno VENTAJAS: Es sencillo e ideal para estudios a escala experimental.

8.-REACTOR HETEROGÉNEOS

CARACTERÍSTICAS: *Su naturaleza obedece leyes cinéticas diferentes, *La diferencia radica en el número de fases físicas involucradas, los mecanismos de transferencia tanto de calor como de energía son más complejos debido a que están presentes más de un mecanismo, DESVENTAJA: Por su complejidad los balances de materia y energía son más complejos, pudiendo ser de naturaleza conectiva o conductiva.

PARTES DE UN REACTOR QUIMICO

Manómetro: El manómetro es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la presión local. Eyector de chorro de vapor: El eyector a chorro de vapor es el aparato más simple que hay para extraer el aire, gases o vapores de los condensadores y de los equipos que operan a vacío en los procesos industriales. Es un tipo simplificado de bomba de vacío o compresor, sin partes móviles, como válvulas, pistones, rotores, etc. Su funcionamiento está dado por el principio de conservación de la cantidad de movimiento de las corrientes involucradas. Camisa del reactor: Es una lámina de metal, casi siempre de acero al carbono, que recubre alrededor del reactor, quedando entre esta y la lámina del reactor, una cavidad, donde se mete

vapor, si la reacción necesita calor, o congelantes como el CO2 y el N2, para enfriar, si la reacción así lo amerita, tiene sus válvulas de carga y descarga, y sus reguladores de presión y temperatura. Purgador de vapor: Un purgador de vapor es un tipo de válvula automática que descarga el condensado producido en los procesos que consumen vapor. Válvula de seguridad de presión: La válvula de seguridad sirve para prevenir este tipo de accidentes, esta es una válvula reductora de presión, que se abre y expulsa el exceso de agua cuando la presión supere cierto nivel. Válvula de drenaje: La válvula de drenaje permite la retirada de las aguas que se acumulan. Línea de reciclado: sirve para su limpieza y procesado, sin que exista, en principio, un cambio químico en la estructura. Agitador: El agitador sirve para mezclar o revolver por medio de la agitación algunas sustancias. Purgador de vapor: Un purgador de vapor es un tipo de válvula automática que descarga el condensado producido en los procesos que consumen vapor. FORMAS DE CLASIFICACION DE UN REACTOR QUIMICO Según el modo de operación 

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Reactores discontinuos: son aquellos que trabajan por cargas, es decir se introduce una alimentación, y se espera un tiempo dado, que viene determinado por la cinética de la reacción, tras el cual se saca el producto. Reactores continuos: son todos aquellos que trabajan de forma continua.

Según el tipo de flujo interno  

Reactores ideales: suelen ser descritos con ecuaciones ideales sencillas y no consideran efectos físicos más complejos o perturbaciones pequeñas. Reactores no ideales: consideran el patrón de flujo, la existencia de zonas muertas dentro del reactor donde el material no circula, además consideran una dinámica de fluidos más compleja, suelen describirse conociendo la cinética de las reacciones, la RTD (distribución de edad del fluido) del flujo, el tipo de mezclado pudiendo ser este tardío o inmediato, y conociendo si el tipo de fluido es micro o macro fluido.

Según las fases que albergan  

Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas. Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-sólido, líquido-sólido, gas-líquido, gaslíquido-sólido.

Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación, además en base a los parámetros de diseño se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones.