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REACTOR CSTR (Complete Stirred Tank Reactor) Este tipo de reactor consiste en un tanque con buena agitación en el que hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (parcialmente). La agitación del contenido es esencial a causa de la forma de estos recipientes (por ejemplo, cilindros cuyo diámetro es igual a su altura); si no fuera así, se crearía una corriente directa de fluido entre la entrada y la salida del recipiente y gran parte del volumen de este sería un espacio muerto (sin circulación). Esquemáticamente podríamos mostrar una idea del reactor en mención bajo la siguiente imagen:

Ahora bien alcanzada plenamente la idea de un reactor de agitación continua podemos extender nuestra vista para ver una demostración virtual:

http://virtual.cvut.cz/virtualexperiments/cstr/cstr.wrl

Sin embargo los reactores CSTR utilizados en la industria suelen en su mayoría ser distintos pero guardando la idea del agitación contínua.

Tenemos un ejemplo de un reactor CSTR para polimerización.

http://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://wwwits.chem.uva.nl/research/polymer_process/polymer_systems/images/Piet3.gif&i mgrefurl=http://wwwits.chem.uva.nl/research/polymer_process/polymer_systems/General.html&h=5 68&w=619&sz=246&hl=es&start=9&tbnid=tsJ9HuWhDRAgbM:&tbnh=125&tbn w=136&prev=/images%3Fq%3Dreactor%2B%2BCSTR%26gbv%3D2%26svnu m%3D10%26hl%3Des%26sa%3DG

Vista de un Reactor CSTR (Se puede observar las aspas de agitación a lo largo del tanque) http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor

Algunas características La característica importante de un reactor CSTR es la agitación. Una primera aproximación que describe más apropiadamente su funcionamiento se basa en la suposición de que su contenido está perfectamente mezclado. Como consecuencia de ello, la corriente efluente tiene la misma composición que el contenido. Los reactores de este tipo poseen muchas facilidades en lo

referente a transferencias de calor, y la agitación permanece constante en el interior del reactor. Otra característica de este tipo de reactores es que posee una unidad procesadora (tanque) diseñado para que dentro de este se produzcan una o varias reacciones químicas, producto del ingreso del flujo de alimentación, con el fin de descargar productos con flujos volumétricos del material que ha reaccionado, de modo que el volumen de reacción permanece constante. En un reactor CSTR no es difícil alcanzar, con bastante aproximación, una mezcla perfecta, siempre y cuando la fase fluida no sea demasiado viscosa. En general, si un elemento de fluido que entra (por ejemplo, colorante agregado) se distribuye en el tanque, entonces éste puede considerarse “bien mezclado”. ➢ En estado estacionario, el caudal adentro debe igualar, el caudal total hacia fuera, si no el tanque desbordará o irá al vacío (estado estacionario). Mientras que el reactor está en un estado transitorio la ecuación modelo se debe derivar de la masa y de los balances energéticos diferenciados. ➢ Todos los cálculos realizados con CSTR se asumen con un mezclado perfecto. ➢ A menudo, es económicamente beneficioso funcionar con varios CSTRs en series o en paralelo. Esto permite, por ejemplo, al primer CSTR funcionar en una concentración más alta de reactivo y por lo tanto con una tasa más alta de reacción. En estos casos, los tamaños de los reactores se pueden variar para reducir al mínimo la inversión de capital total requerida para poner el proceso en ejecución.

Modelo Reactores CSTR en serie. Universidad Nacional del Callao. Facultad de Ingeniería química – Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios (LOPU)

Funcionamiento y Proceso de un Reactor CSTR Es ventajoso disponer de varios reactores CSTR en serie y que la corriente de proceso fluya de uno al siguiente. Esto da como resultado un cambio de composición escalonado entre los tanques sucesivos. También provoca una pérdida por el establecimiento de rutas cortas de flujo: una molécula determinada que entre a un tanque tiene una probabilidad significativa de fluir inmediatamente hacia la salida. Esta es la razón por la cual es usualmente necesario emplear varios tanques en serie, sobre todo si se quiere conversiones altas. Si hubiera solo uno o dos tanques, habría una pérdida apreciable de material sin reaccionar. Aunque esta pérdida es, en cierto sentido, el resultado de la agitación, generalmente sería más alta si no hubiese agitación, debido a la formación de corrientes directas entre la entrada y la salida. Una consecuencia común del cambio escalonado en la concentración es que la velocidad media de reacción sería menor que la obtenida en un reactor tubular que tenga la misma concentración de reactivos en la alimentación. “Un reactor tubular es cualquier reactor de operación continua en que hay un movimiento constante de uno o de todos los reactivos en una dirección espacial seleccionada (los reactivos entran en un extremo del sistema y salen por el otro) y en el cual o se hace intento alguno por inducir el mezclado entre los elementos del fluido en ningún punto de la dirección del flujo”

Por lo tanto el volumen del reactor para una producción determinada debe ser mayor y esto debe tomarse en cuenta en el diseño. Entonces puede parecer paradójico que el reactor CSTR se utilice mucho para reacciones en fase líquida comparativamente lentas. La razón es que su construcción es mas barata. El volumen mayor no es tan importante como el factor económico, al menos en el caso de tanques que funcionan a presión atmosférica y están fabricados de un material barato. Un buen ejemplo de los comportamientos caóticos se aprecia en un conjunto de reactores CSTR, acoplados y desestabilizados. Es posible estabilzarlos si usamos un esquema de control de retro-alimentación negativa. La posibilidad de poder escoger una salida deseable, dentro de un número infinito de posibles

salidas controladas, proporciona mucha flexibilidad al proceso y da origen al concepto de “operación caótica” propuesto por (Chien-chong, 1996)

Otros ejemplo de aplicaciones a la ingeniería de procesos sería el caos generado en el control de un CSTR, y en control de nivel de líquidos (ambos de parámetro globalizados); en el caso de sistemas de parámetros distribuidos la dinámica es más compleja, con posibilidad de caos especial, y por lo tanto el análisis es más delicado. Un tanque revuelto es más el fundamental de mezcladores y muchos mezcladores comunes del mezclador de Brabender usado en laboratorio a una taza de café con una cuchara se pueden considerar un tanque revuelto bajo cierto sistema de aproximación. El mezclarse en un tanque revuelto es complicado y no pozo descrito (el intermediario P. 340-348) aunque el uso de números sin dimensiones y la comparación con cuentas de la literatura pueden conducir a algunas capacidades proféticas. Los tanques a menudo revueltos se utilizan como reactores industriales donde un componente químico de una corriente del flujo reside por una cierta hora en el tanque y después procede encendido a otros pasos en un proceso químico. La distribución del tiempo de residencia se convierte en una medida del grado de una reacción química en esta situación. Para mezclarse uno puede asumir a veces un índice constante de la tensión en el tanque revuelto, intermediario P. 340-348, y la distribución del tiempo de residencia se puede entonces utilizar bajo esta aproximación, como medida del grado de mezclarse. Las zonas muertas en un tanque revuelto para los líquidos de gran viscosidad deben ser muy familiares a cualquier persona que ha trabajado en una pasta que se mezclaba de la cocina con un mezclador de la mano. El movimiento flúido en un tanque revuelto se confina a la región inmediata de las láminas del mezclador para los líquidos de gran viscosidad. En la aproximación más simple que un grado uniforme de mezclarse ocurre en el tanque revuelto, intermediario, a esto se llama el “mezclador perfecto”. Considerando una corriente de buteno en el ciclohexano que es convertido al epóxido del buteno por la reacción con un peróxido en un CSTR. El caudal a través del tanque es Q y la concentración del hepteno es C0. El tanque está en el estado constante que significa los iguales volumétricos de la afluencia la salida volumétrica. El volumen del tanque es V. El cociente del epóxido del buteno al buteno se gobierna por la temperatura, la concentración del catalizador, la eficacia del catalizador y el tiempo de residencia en el reactor. Una curva principal en términos de conversión en las condiciones constantes en función del tiempo de reacción se puede hacer fácilmente en el laboratorio. Entonces un cálculo de la distribución del tiempo de residencia en el reactor se puede hallar directamente, usando los resultados del laboratorio, al cociente de conversión para el producto deseado. Si se va el epóxido del buteno a ser utilizado en un segundo CSTR producir el producto final entonces este cociente de conversión se convierte en la concentración de la entrada para el segundo CSTR. Un proceso químico sintético implicará típicamente un número de CSTR unidos en esta manera. Entonces necesitamos determinar la

distribución del tiempo de residencia (RTD), f (t), para que un mezclador perfecto aproxime la conversión para este CSTR. Para determinar el RTD, f (t), porque el CSTR consideramos una situación más simple adonde una concentración C0 de un componente en una corriente Q del

flujo fluye en un tanque del volumen V. En un instante del tiempo toda la concentración C0 es rojo marcado con etiqueta de modo que pueda ser distinguida del otro reactivo en el tanque revuelto. Entonces buscamos el reactivo marcado con etiqueta rojo en la corriente de la salida para determinar la época de residencia del reactivo en el tanque. La cantidad de material marcado con etiqueta ha dejado el tanque en el tiempo “t” es dada por la función de distribución acumulativa del tiempo de residencia, F (t), F (t) C0Q. Esto se relaciona con la concentración del material marcado con etiqueta en la corriente efluente, QC (t), QC (t) = F (t) C0Q F (t) = C (t) /C0 Entonces F (t) es la respuesta del sistema a un pulso de la concentración en la afluencia. Un balance material para el CSTR bajo asunción de producciones que se mezclan perfectas,

con la condición que comienza que la concentración del componente marcado con etiqueta en el efluente es 0 en t = 0, C (t=0) = 0. La solución a esta ecuación diferencial es,

donde está una clase V/Q constante para el sistema. Bajo asunción de mezclarse perfecto, esta constante a su vez es la época de residencia mala F para el CSTR t  . La función de distribución del tiempo de residencia es el Q derivado de la función de distribución acumulativa del tiempo de residencia,

La función tiene un valor en t = de el cual se decaiga exponencial con tiempo. La función tiene un valor en t = 0 porque el mezclarse es perfecto, de que es un poco de material está instantáneamente en el efluente en el material instantáneo se introduce al tanque. Esto no es obviamente realista. No obstante, la aproximación exponencial para un CSTR es una asunción común en el proceso de polímero y en la industria de proceso química en su totalidad. Es ampliamente utilizada en una amplia gama de campos científicos en cuanto a una primera aproximación para las cantidades tales como tiempo de

residencia en un lago o un océano o para una aproximación de una droga o de una residencia de las toxinas en el cuerpo humano puesto que depende solamente del volumen del sistema y del índice de la dilución. La función se

puede modificar para el espacio muerto usando un volumen eficaz más bien que el volumen real del sistema. Alternativamente, los estudios del trazalíneas se pueden utilizar para medir el tiempo de residencia malo.

Ventajas en la elaboración de un reactor CSTR 

Una de las grandes ventajas de los reactores CSTR, además de su sencillez de construcción, es la facilidad con que se realiza el control de la temperatura. Los reactivos que entran al primer recipiente de inmediato entran a un gran volumen de fluido que ha reaccionado parcialmente y, debido a la agitación, no tienden a producirse zonas calientes. Asimismo los tanques del reactor CSTR ofrecen la oportunidad de proporcionar un área muy grande de superficie de enfriamiento. Además de la superficie externa de los recipientes mismos, puede lograrse una gran cantidad de superficie interna si se instalan serpentines sumergidos.



Otra ventaja es que la construcción es abierta. Esto facilita la limpieza de las superficies internas lo cual es importante en el caso de reacciones en que hay una tendencia a que se deposite material sólido, por ejemplo, en los proceso de polimerización y en las reacciones en que se forma como producto algún material alquitranado.

Campos de aplicación de los reactores CSTR Los campos de aplicación típicos de los reactores CSTR son los procesos continuos de sulfonacion, nitración, polimerización, etc. Se utiliza ampliamente en la industria química orgánica y, en particular, en la producción de plásticos, explosivos, hule sintético, etc. El reactor CSTR se emplea también siempre que hay necesidad especial de agitación, por ejemplo, para mantener las burbujas de gas o las partículas sólidas en suspensión dentro de una fase liquida o para mantener las gotitas de un liquido en el seno de otro, como es el caso de la nitración de benceno o tolueno. La rapidez de estas reacciones depende considerablemente del grado de dispersión y, por lo tanto, de la intensidad de la agitación. Ejemplos de Productos realizados en reactores CSTR*:

Catalizador

T (ºC)

P (atm)

Tiempo de residencia o velocidad espacial

Producto

Materia Prima

Fase en el reactor

Alquilato Alquilato Sulfo-butadieno

i-C4 , butenos

L

H2SO4

5-10

2-3

5 – 40 min

i-C4 , butenos

L

HF

25-38

8-11

5 – 25 min

Butadieno, SO2 Oxima de ciclohexano Cl2, acetaldehído

L

t-butil catecol Acido polifosfórico Ninguno

34

12

0.2 LHSV

80-100

1

0.25-2 h

20-90

1

140 h

Caprolactama Cloral

L LG

Hidroperóxido de cumeno Ciclohexanona Dextrosa Dextrosa Dodecilbenceno

Acetato de etilo Etileno, clororhidrinas de propileno Glicerol Acido o-metil benzoico Nitrobenceno Fenol Metracrilato de t-butilo Aldehídos

Cumeno, aire

L

Metales pórfidos

95-120

2-15

1-3 h

Ciclohexanol

L

N.A

107

1

0.75 h

Almidón

L

H2SO4

165

1

20 min

Almidón Benceno, tetrámero de propileno Etanol , ácido acético

L

Enzima

60

1

100 min

L

AlCl3

15-20

1

1-30 min

L

H2SO4

100

1

0.5-0.8 LHSV

Cl2, H2O

LG

Ninguno

30-40

3-10

0.5-5 min

Alcohol alílico, H2O2

L

H2WO4

40-60

1

3h

Xileno, aire

G

V2O5

300-450

2-10

0.1-5 s

Benceno, HNO3 Hidroperóxido de cumeno

L

H2SO4

45-95

1

3-40 min

L

SO2

45-65

2-3

15 min

Acido metacrílico, i-buteno

L

H2SO4

25

3

0.3 LHSV

Diisobuteno, CO

LG

Co carbonilo

150

200

1.7 h

*Abreviaturas. Fases: líquido (L), gas (G), ambos (LG). Velocidades espaciales (por hora): Gas (GHSV), liquido (LHSV), peso (WHSV).

Datos: Tabla 23.1 Seccion 23-7. Robert H. Perry – Don W. Green. Manual del ingeniero quimico Volumen IV, 7ma edicion, Editorial Mc-Graw Hill 2001. Madrid – España.

Trabajo Realizado para el curso de Balance de Materia y Energia Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniera Quimica Profesor: Jack Zavaleta Integrantes: * Motta Oshiro, Christian * Torres Deledesma, Vania * Vilchez Diaz, Pablo * Yance Rojas, Edward

042771F 042099F 042824B 042803E