martes, 27 de octubre de 2015
sábado, 10 de octubre de 2015
Introducción
Una de las tareas del ingeniero cuando está frente a una serie de operaciones que
transforman ciertos insumos o materias primas mediante procesos físicos y químicos
consiste en el dimensionamiento de los equipos correspondientes. En los casos en que
se dan transformaciones químicas (o bioquímicas) de la materia, el corazón del proceso
se da en el reactor químico. Para diseñar un reactor debe contestarse una serie de
preguntas tales como: ¿qué tipo de equipo se necesita para lograr la extensión de la
reacción requerida? ¿qué condiciones de operación (temperaturas, presión, velocidades
de flujo) se necesitan? La respuesta a estas cuestiones constituye el diseño del proceso
del reactor. El análisis de costos para determinar el diseño más rentable introduce
nuevos factores tales como los materiales de construcción, la prevención de la
corrosión, los requerimientos de operación y mantenimiento, etc. Para optimizar los
costos deberá tenerse en cuenta además la instrumentación y mecanismos de control.
Más factores pueden seguir introduciéndose antes de llegar a la decisión final. No
obstante en este curso nos restringiremos exclusivamente al diseño del proceso.
La combinación de los procesos físicos y químicos a los efectos del diseño del reactor
se hace recurriendo a las ecuaciones de las leyes de conservación de la materia y la
energía para cada tipo de reactor. Para el diseño del proceso debe disponerse de
información proveniente de diferentes campos: termodinámica, cinética química,
mecánica de fluidos, transmisión de calor y transporte de materia.
Cuando una sustancia se transforma en otra por reordenación o redistribución de los
átomos para formar nuevas moléculas decimos que se ha efectuado una reacción
química.
La termodinámica química suministra dos fuentes importantes de información
necesarias para el diseño: el calor desprendido o absorbido durante una reacción y la
extensión máxima posible de la misma. Las reacciones químicas van siempre
acompañadas de liberación o absorción de calor, que se mide por el cambio de entalpía.
Desarrollo
Para los
reactores continuos, existen dos tipos fundamentales de configuraciones
físicas: el reactor tubular, donde se considera idealmente un flujo de tipo
pistón (Reactor de flujo pistón RFP o en inglés Plug Flow Reactor, PFR) o bien
el reactor de tipo tanque, en el que se supone una agitación perfecta (Reactor
Continuo de Tanque Agitado RCTA o en inglés Continuous Stirred Tank Reactor,
CSTR)
RCTA: Consideramos mezclado perfecto, así en
cualquier punto la concentración y la temperatura son las mismas. El balance de
materia se plantea para un elemento de volumen V R, pues en éste la concentración y la
temperatura no varían. Esto presupone contar con agitación adecuada para este
fin.
RFP: No existe mezclado axial, flujo tipo
pistón (tapón), no laminar. Por consiguiente, la concentración y la temperatura
no son constantes en todo el volumen, variando con respecto a la longitud
(paralela a entradas y salidas). Esto nos sugiere que el balance de materia se
realice para un elemento diferencial de volumen dV R, donde éstas sean constantes.
El reactor
constituye la parte más importante de la planta química. Los problemas de su
diseño conciernen a la definición del tipo de reactor, tamaño y sus condiciones
de operación.
Dentro de las
decisiones que el Ingeniero Químico debe tomar tenemos la definición de :
-Tipo de reactor
-Composición de
la materia prima
-La escala,
capacidad
-El catalizador y
su regeneración
-La temperatura
de operación y el dispositivo de transferencia de calor
-La presión de
operación
-Inertes y
diluciones
-Modo de
operación
-Recirculación
Para decidir lo
anterior, es indispensable contar con los siguientes datos: modelo matemático
para la velocidad de reacción y su dependencia de la temperatura,composiciones,
régimen de flujo.
El Reactor de Tanque
Agitado Continuo
El reactor
de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una agitación casi
perfecta, en el que hay un flujo continuo de mate reaccionante y desde el cual
sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La
condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase
líquida no sea demasiada viscosa. El propósito de lograr una buena agitación es
lograr que en el interior del tanque se produzca una buena mezcla de los
materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se
utilice para llevar cabo la reacción, y que no existan o queden espacios
muertos.
Reactor Tubular
Los reactores tubulares siempre se usan en modo de flujo
continuo con los reactivos fluyendo y los productos eliminados. Pueden ser los
reactores de diseño más sencillo.
El flujo de una sola fase de un
reactor tubular puede ser ascendente o descendente. El flujo de dos fases puede
ser co-corriente de flujo ascendente, contra-corriente (líquido hacia abajo,
gas hacia arriba) o, más comúnmente, co-corriente de flujo descendente.
Los reactores tubulares pueden tener
sola una pared o se les puede enchaquetar para calentarlos o enfriarlos con un
fluido circulante de transferencia de calor. Los hornos externos pueden ser
rígidos, calefactores de tubos o mantillas flexibles.
Los Reactores Tubulares se usan en
una gran variedad de industrias:
●
Petróleo
●
Petroquímica
●
Polímero
●
Farmacéutica
●
Tratamiento
de Desechos
●
Especialidades
Químicas
●
Energía
Alternativa
Conclusiones
En la cotidianidad nos damos cuenta del sinfín de compuestos químicos utilizados. Todas las personas del ámbito de la química, bien sea ingeniería o la ciencia pura, deberían peguntarse-no estoy delimitando, cualquiera se lo podría preguntar-dónde se producen los reactivos que se utilizan a escala de laboratorio y a nivel industrial, con los cuales la vida se hace un poco más sencilla, o preguntarse, y esta vez refiriéndome a mis colegas del mundo de la química, de dónde salen los compuestos que generalmente desarrollamos en nuestras reacciones químicas.
Los reactores continuos utilizados con mayor frecuencia son los de tanque agitado o de mezcla completa y los reactores de flujo en pistón. Los reactores continuos de tanque agitado (CSTR), o también denominados de flujo de mezcla completa (RFMC), son unidades de reacción que operan en estado estacionario. Consiste en un tanque en donde la alimentación posee la misma concentración de la corriente de salida en cualquier punto del interior del mismo, y teóricamente se alcanza la máxima conversión de los reactivos en el instante en que éstos entran a la unidad. Cuentan con un sistema de agitación que garantiza el mezclado de los reactivos para generar un mayor rendimiento de los productos de salida. Cada reacción en particular necesita ciertas revoluciones de mezclado pero en el diseño se considera una holgura en las revoluciones por minuto del motor de agitación para garantizar un mayor mezclado que en teoría se considera un mezclado perfecto, pero a nivel físico puede no cumplirse ese criterio por consideraciones que abarcan desde el sistema mecánico del reactor que proporciona el mezclado, hasta la compatibilidad de los reactivos a la hora de reaccionar, sin embargo, ajustándose a condiciones ideales puede darse un mezclado de alta eficiencia, garantizando la máxima conversión de los reactivos en la unidad.
A nivel industrial es uno de los reactores más comunes debido a su rentabilidad económica. Su diseño, al igual que los demás reactores, depende de la cinética química y naturaleza de la reacción, y de la cantidad de producto deseado se quiera generar para determinar su volumen.
Los reactores continuos utilizados con mayor frecuencia son los de tanque agitado o de mezcla completa y los reactores de flujo en pistón. Los reactores continuos de tanque agitado (CSTR), o también denominados de flujo de mezcla completa (RFMC), son unidades de reacción que operan en estado estacionario. Consiste en un tanque en donde la alimentación posee la misma concentración de la corriente de salida en cualquier punto del interior del mismo, y teóricamente se alcanza la máxima conversión de los reactivos en el instante en que éstos entran a la unidad. Cuentan con un sistema de agitación que garantiza el mezclado de los reactivos para generar un mayor rendimiento de los productos de salida. Cada reacción en particular necesita ciertas revoluciones de mezclado pero en el diseño se considera una holgura en las revoluciones por minuto del motor de agitación para garantizar un mayor mezclado que en teoría se considera un mezclado perfecto, pero a nivel físico puede no cumplirse ese criterio por consideraciones que abarcan desde el sistema mecánico del reactor que proporciona el mezclado, hasta la compatibilidad de los reactivos a la hora de reaccionar, sin embargo, ajustándose a condiciones ideales puede darse un mezclado de alta eficiencia, garantizando la máxima conversión de los reactivos en la unidad.
A nivel industrial es uno de los reactores más comunes debido a su rentabilidad económica. Su diseño, al igual que los demás reactores, depende de la cinética química y naturaleza de la reacción, y de la cantidad de producto deseado se quiera generar para determinar su volumen.
Bibliografía
Dochain D. (1992). Reactores Continuos . 1996, de PDF Sitio web: http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Enero_2011/BENITES_SARAVIA_FIEE/INFORME.PDF
Help S. (2012). Reactor de tanque agitado . 2014, de Xcos Sitio web: http://cacheme.org/lesson/resolucion-del-sistema-rcta-reactor-continuo-de-tanque-agitado-con-xcos/
Cuevas R . (2009 ). Introduccion de reactores quimicos . 2009, de PDF Sitio web: http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/IntroReactores_10564.pdf
Help S. (2012). Reactor de tanque agitado . 2014, de Xcos Sitio web: http://cacheme.org/lesson/resolucion-del-sistema-rcta-reactor-continuo-de-tanque-agitado-con-xcos/
Cuevas R . (2009 ). Introduccion de reactores quimicos . 2009, de PDF Sitio web: http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/IntroReactores_10564.pdf
Suscribirse a:
Entradas (Atom)