Tipos-de-reactores.docx

Introducción al diseño de reactores y tipos de reactores Para el diseño de un reactor hemos de conocer el tamaño y tipo de reactor, y las condiciones de operación más adecuadas para el fin propuesto. Como esto puede exigir que las condiciones en el reactor varíen con la posición y con el tiempo, es necesario efectuar la integración adecuada de la ecuación cinética para las condiciones de operación. Esta integración puede presentar dificultades debido a que la temperatura y composición del fluido reaccionante pueden variar de un punto a otro del reactor, dependiendo del carácter exotérmico o endotérmico de la reacción y de la velocidad de intercambio de calor con los alrededores. Por otra parte, las características geométricas del reactor determinan la trayectoria del fluido a través del mismo, y fijan las condiciones de mezclado que contribuyen a diluir la alimentación y redistribuir la materia y el calor. Por consiguiente, antes de poder predecir el funcionamiento de un reactor hemos de tener en cuenta muchos factores, constituyendo el principal problema de diseño el conocimiento del modo más adecuado de tratar estos factores. Tipos de reactores químicos Los reactores químicos pueden tener una gran variedad de tamaños, formas y condiciones de operación. Entre los utilizados en diversos procesos industriales existen en gran variedad de diseños que no siempre tienen alguna relación específica con la clase de reacción o el tipo de operación. Con frecuencia se emplean equipos de diferentes diseños para la misma reacción. Los reactores químicos se han clasificado de una manera general en las dos formas siguientes:  

En base a su tipo de operación. En base a sus características de diseño.

La primera clasificación se asocia principalmente con las reacciones homogéneas y divide a los reactores en los siguientes tipos:   

Reactor batch, por lotes o intermitente Reactor continuo Reactor semicontinuo

Reactor batch, por lotes o intermitente En este tipo de reactor todos los reactivos se le introducen al principio y los procesa según un curso determinado de reacción durante el cual no se alimenta o se extrae algún material, es decir, el producto no se descarga hasta que se concluye el proceso, lo que representa un procedimiento de estado no estacionario en lo que respecta a la composición de la mezcla reaccionante, o sea que, existe una variación en el grado de reacción y en las propiedades de la mezcla reaccionante con el transcurso del tiempo.

Generalmente el reactor tiene la forma de un tanque con o sin agitación, y se utiliza principalmente en la producción a pequeña escala. La mayor parte de los datos cinéticos básicos para el diseño de reactores se obtienen en este tipo de equipo. Reactor continúo En este tipo de reactor los reactivos se introducen y los productos se extraen simultáneamente y de manera continua. La forma de este tipo de reactor puede ser de tanque, de una estructura tubular o de una torre, y tiene multitud de aplicaciones en plantas a gran escala con el propósito de reducir los costos de operación y facilitar el control de la calidad del producto. Reactor semicontinuo Es el tipo de reactor cuyo funcionamiento no se ajusta por completo al de tipo batch ni al continuo, es decir, no opera en estado estable. En uno de los casos, algunos de los reactivos se cargan al principio, en tanto que los restantes se dosifican como se desarrolla la reacción. Otro tipo es similar al reactor intermitente con la variación de que uno o más reactivos se extraen en forma continua, como la eliminación del agua, mediante ebullición, en las reacciones de esterificación por ejemplo.

La segunda clasificación de los reactores, es decir, en base a las características de su diseño, divide a los reactores en los siguientes tipos:      

Reactor tanque Reactor tubular Reactor de lecho fijo Reactor de lecho fluidizado Reactor en torre Reactor para fases dispersas

Reactor tanque Este tipo de reactor es probablemente el de empleo más común en la industria química. En la mayor parte de los casos, está equipado con algún mecanismo de agitación (centrifugación, oscilación o sacudidas), así como con elementos de transferencia de calor (por ejemplo, intercambiadores de calor de cubierta, externo e interno). Este tipo de reactor se puede operar tanto de manera intermitente (figura a) como continua (figura b) en amplias gamas de temperaturas y presiones, produciendo un mezclado casi perfecto (retro mezclado) con excepción de fluidos muy viscosos.

Reactor tubular Este tipo de reactor está constituido por un solo tubo continuo (figura h) o por varios tubos en paralelo (figura i). Los reactivos ingresan al reactor por un extremo y el producto se obtiene por el otro, con una variación continua en la composición de la mezcla de reacción entre estos dos puntos. El grado de la reacción puede variación con respecto a la posición del reactor, pero no en función del tiempo.

La transferencia de calor hacia el reactor o desde este, se logra por medio de una camisa o diseño de tubos y carcasa (figura i). Los tubos del reactor puede estar empacados con gránulos de catalizador o solidos inertes. El reactor tubular tiene aplicación en casos en los que es indeseable el retro mezclado de la mezcla reaccionante en la dirección del flujo. Las reacciones gaseosas a gran escala, como el cracking (desintegración) de hidrocarburos, el cual opera de forma continua con un flujo estable tanto de entrada de reactantes como de salida de productos, la conversión de aire en NO y la oxidación de NO en NO2, son ejemplos de aplicación de ese tipo de reactores. El reactor ideal de flujo tubular o de flujo en pistón es en el que la masa reaccionante consiste de elementos de flujo que son independientes entre sí, teniendo cada uno diferente composición, temperatura, etc. Reactor de lecho fijo Este es un reactor catalítico gas-solido de tipo de flujo tubular. Este rector es un sistema heterogéneo muy común, en el cual e fluido reaccionante fluye a través de un lecho de partículas catalíticas relativamente grandes que se mantiene en posición estacionaria, de lo que surge el nombre de lecho fijo (figura I) un ejemplo de este caso es la oxidación del SO2 con partículas de V2O5. Reactor de lecho fluidizado Este tipo de reactor consta de un depósito cilíndrico vertical que contiene partículas sólidas finas que son catalizadores o reactivos. La corriente del fluido reactivo se introduce en la base del reactor a una velocidad tal que los sólidos flotan en la corriente del fluido sin salir del sistema. En estas condiciones, el lecho de partículas se comporta como un líquido en ebullición que tiende a igualar la composición de la mezcla de reacción y la temperatura a lo largo del lecho, es decir, se crea cierto grado de retromezclado. Generalmente se considera que esta es una de las ventajas especificas del reactor de lecho fluidizado. Una de las desventajas del mismo es la trituración del catalizador con el arrastre del material fino resultante. En las reacciones catalíticas heterogéneas, el catalizador suele perder su actividad con el tiempo de operación. Catalíticas heterogéneas, el catalizador suele perder su actividad con el tiempo de operación. Reactor en torre Este tipo de reactor se caracteriza por su estructura cilíndrica vertical con una relación grande entre la altura y el diámetro. Puede tener desviadores o rellenos solidos (reactivos, catalizadores o inertes), bien, quizá se alimente sencillamente a una torre vacía y se utiliza para procesos continuos de reacciones heterogéneas. Como ejemplo de este reactor están el horno de cal y las unidades de absorción de gases para reacciones gas-liquido, incluyendo torres empacadas de platos y de roció.

Otro tipo de reactor heterogéneo es la modificación para tres fases, figura n), en la que los reactantes gaseoso y liquido entran en contacto con partículas de catalizador sólido. El efecto de los procesos físicos sobre la operación del reactor resulta más complejo que en el caso de los sistemas de dos fases, pues la velocidad intrínseca debe acoplarse con los efectos interfaciales de transporte tanto gasliquido como liquido-solido.

Reactores para fases dispersas Este tipo de se caracteriza por una columna vertical que contiene partículas muy finas de catalizador suspendidas en un medio líquido, que puede ser uno de los reactivos. El reactivo gaseoso que se burbujea por la suspensión se disuelve en el medio líquido en donde se producen las reacciones catalizadas. Esta técnica facilita el control de la temperatura debido a la gran capacidad calorífica y a las características favorables de transferencia de calor del líquido. Una aplicación de este tipo de reactor está en la hidrodesintegracion de aceites combustibles residuales. El reactor de lecho en ebullición puede clasificarse como un reactor de este tipo y se utiliza en el desarrollo de los procesos de licuefacción del carbón. El sistema reaccionante consta de partículas de carbón y catalizador, aceite e hidrogeno gaseoso.

En resumen, las tres clasificaciones de reactores que revisten importancia para el diseño son:   

Por lotes o continuos. De tanque o tubulares. Homogéneos o heterogéneos.